radar de pulsos Doppler

Los sistemas de pulso-Doppler miden la distancia a los objetos calculando el tiempo transcurrido entre el envío de un pulso de energía de radio y la recepción del reflejo del objeto. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz , por lo que la distancia al objeto es el tiempo transcurrido multiplicado por la velocidad de la luz, dividido entre dos: ida y vuelta.

El radar de pulso-Doppler se basa en el efecto Doppler , donde el movimiento dentro del alcance produce un cambio de frecuencia en la señal reflejada por el objetivo. $${\displaystyle {\text{Frecuencia Doppler}}={\frac {2\times {\text{frecuencia de transmisión}}\times {\text{velocidad radial}}}{C}}.}$$

La velocidad radial es esencial para el funcionamiento del radar Doppler pulsado. A medida que el reflector se desplaza entre cada pulso de transmisión, la señal reflejada presenta una diferencia de fase , o desfase , entre pulsos. Esto provoca que el reflector genere modulación Doppler en la señal reflejada.

Los radares de pulso-Doppler aprovechan este fenómeno para mejorar su rendimiento.

La amplitud del pulso que regresa sucesivamente del mismo volumen escaneado es $${\displaystyle I=I_{0}\sin \left({\frac {4\pi (x_{0}+v\Delta t)}{\lambda }}\right)=I_{0}\sin(\Theta _{0}+\Delta \Theta ),}$$ dónde

• ${\displaystyle x_{0}}$es la distancia del radar al objetivo,
• ${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda del radar,
• ${\displaystyle \Delta t}$es el tiempo entre dos pulsos.

Entonces $${\displaystyle \Delta \Theta ={\frac {4\pi v\Delta t}{\lambda }}.}$$

Esto permite que el radar separe los reflejos de múltiples objetos ubicados en el mismo volumen de espacio, separando los objetos mediante un espectro ensanchado para segregar diferentes señales: $${\displaystyle v={\text{velocidad objetivo}}={\frac {\lambda \Delta \Theta }{4\pi \Delta t}},}$$ dónde${\displaystyle \Delta \Theta }$es el cambio de fase inducido por el movimiento de rango.

En los sistemas de detección de aeronaves por Doppler pulsado, se puede seleccionar la velocidad de rechazo, por lo que no se detectará nada por debajo de dicha velocidad. Un haz de antena de un grado ilumina millones de pies cuadrados de terreno a una distancia de 10 millas (16 km) , lo que produce miles de detecciones en el horizonte o por debajo de él si no se utiliza el efecto Doppler. 

El radar de pulso-Doppler utiliza los siguientes criterios de procesamiento de señales para excluir señales no deseadas de objetos que se mueven lentamente. Esto también se conoce como rechazo de interferencias. ^{[ 5 ]} La velocidad de rechazo generalmente se establece justo por encima de la velocidad del viento predominante ( 10 a 100 mph o 20 a 160 km/h ). El umbral de velocidad es mucho menor para el radar meteorológico . ^{[ 6 ]}  $${\displaystyle \left\vert {\frac {{\text{Doppler frequency}}\times C}{2\times {\text{transmit frequency}}}}\right\vert >{\text{velocity threshold}}.}$$

En el radar Doppler de pulsos aerotransportado, el umbral de velocidad se compensa con la velocidad de la aeronave con respecto al suelo. $${\displaystyle \left\vert {\frac {{\text{Doppler frequency}}\times C}{2\times {\text{transmit frequency}}}}-{\text{ground speed}}\times \cos \Theta \right\vert >{\text{velocity threshold}},}$$ dónde${\displaystyle \Theta }$es el desfase angular entre la posición de la antena y la trayectoria de vuelo de la aeronave.

Las reflexiones de la superficie aparecen en casi todos los radares. El eco terrestre generalmente aparece en una región circular dentro de un radio de aproximadamente 25 millas (40 km) cerca de los radares terrestres. Esta distancia se extiende mucho más en los radares aerotransportados y espaciales. El eco se produce por la reflexión de la energía de radio en la superficie terrestre, los edificios y la vegetación. El eco incluye datos meteorológicos en los radares destinados a detectar e informar sobre aeronaves y naves espaciales. ^{[ 7 ]} 

La interferencia genera una zona vulnerable en los radares de dominio temporal de amplitud de pulso . Los sistemas de radar no Doppler no pueden apuntar directamente al suelo debido a la gran cantidad de falsas alarmas, que sobrecargan los ordenadores y a los operadores. Es necesario reducir la sensibilidad cerca de la interferencia para evitar la sobrecarga. Esta vulnerabilidad comienza en la región de baja elevación, a varias anchuras de haz por encima del horizonte, y se extiende hacia abajo. También se presenta en todo el volumen de aire en movimiento asociado a los fenómenos meteorológicos.

El radar de pulso-Doppler corrige esto de la siguiente manera.

• Permite que la antena del radar apunte directamente al suelo sin sobrecargar el ordenador y sin reducir la sensibilidad.
• Rellena la zona de vulnerabilidad asociada al radar de dominio temporal de amplitud de pulso para la detección de objetos pequeños cerca del terreno y en condiciones meteorológicas adversas.
• Aumenta el rango de detección en un 300 % o más en comparación con la indicación de objetivo en movimiento (MTI) al mejorar la visibilidad de los elementos que se encuentran debajo del ruido. ^{[ 8 ]}

 Se requiere una capacidad de rechazo de interferencias de aproximadamente 60 dB para la detección y el ataque desde arriba , y la técnica Doppler pulsada es la única que cumple con este requisito. Esto elimina las vulnerabilidades asociadas con entornos de baja elevación y por debajo del horizonte.

La compresión de pulsos y el indicador de objetivo móvil (MTI) proporcionan una visibilidad de hasta 25  dB por debajo del ruido. El haz de la antena MTI se dirige por encima del horizonte para evitar una tasa excesiva de falsas alarmas, que hace vulnerables a los sistemas. Las aeronaves y algunos misiles aprovechan esta debilidad mediante una técnica denominada vuelo por debajo del radar para evitar la detección ( vuelo a baja altitud ). Esta técnica de vuelo es ineficaz contra el radar Doppler de pulsos.

El sistema Pulse-Doppler ofrece una ventaja a la hora de detectar misiles y aeronaves de baja detectabilidad que vuelan cerca del terreno, la superficie del mar y en condiciones meteorológicas adversas.

El Doppler audible y el tamaño del objetivo permiten la clasificación pasiva del tipo de vehículo cuando no es posible identificar si se trata de un amigo o un enemigo mediante una señal de transpondedor . Las señales de microondas reflejadas de frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media oscilan entre 1500 y 15 000 ciclos por segundo, lo que las hace audibles. Esto significa que un helicóptero suena como un helicóptero, un avión a reacción suena como un avión a reacción y los aviones de hélice suenan como hélices. Las aeronaves sin partes móviles producen un tono. El tamaño real del objetivo se puede calcular utilizando la señal audible.

El procesamiento de ambigüedades es necesario cuando el rango objetivo está por encima de la línea roja en el gráfico, lo que aumenta el tiempo de escaneo.

El tiempo de escaneo es un factor crítico para algunos sistemas, ya que los vehículos que se mueven a la velocidad del sonido o por encima de ella pueden recorrer 1,6 km cada pocos segundos, como los misiles Exocet , Harpoon , Kitchen y los misiles aire-aire . El tiempo máximo para escanear todo el volumen del cielo debe ser del orden de una docena de segundos o menos para los sistemas que operan en ese entorno. 

El radar de pulso-Doppler por sí solo puede ser demasiado lento para cubrir todo el volumen del espacio por encima del horizonte, a menos que se utilice un haz en abanico. Este enfoque se utiliza con el radar de vigilancia aérea de muy largo alcance AN/SPS 49(V)5, que sacrifica la medición de elevación para ganar velocidad. ^{[ 9 ]}

El movimiento de la antena de pulso-Doppler debe ser lo suficientemente lento como para que todas las señales de retorno de al menos 3 PRF diferentes puedan procesarse hasta el rango de detección máximo previsto. Esto se conoce como tiempo de permanencia . ^{[ 10 ]} El movimiento de la antena para pulso-Doppler debe ser tan lento como el radar que utiliza MTI .

Los radares de búsqueda que incluyen el sistema Doppler de pulsos suelen ser de modo dual, ya que el mejor rendimiento general se logra cuando se utiliza el Doppler de pulsos en áreas con altas tasas de falsas alarmas (horizonte o por debajo y condiciones meteorológicas adversas), mientras que el radar convencional escanea más rápido en el espacio libre, donde la tasa de falsas alarmas es baja (por encima del horizonte con cielos despejados).

El tipo de antena es un factor importante a considerar en los radares multimodo, ya que un desplazamiento de fase indeseado introducido por la antena del radar puede degradar las mediciones de rendimiento para la visibilidad por debajo del ruido.

La resolución de alcance es la separación mínima de alcance entre dos objetos que viajan a la misma velocidad antes de que el radar pueda detectar dos reflexiones discretas: $${\displaystyle {\text{range resolution}}={\frac {C}{{\text{PRF}}\times ({\text{number of samples between transmit pulses}})}}.}$$

Además de este límite de muestreo, la duración del pulso transmitido podría significar que las señales de retorno de dos objetivos se reciban simultáneamente desde diferentes partes del pulso.

La resolución de velocidad es la diferencia mínima de velocidad radial entre dos objetos que viajan al mismo rango antes de que el radar pueda detectar dos reflexiones discretas: $${\displaystyle {\text{velocity resolution}}={\frac {C\times {\text{PRF}}}{2\times {\text{transmit frequency}}\times {\text{filter size in transmit pulses}}}}.}$$

La técnica Doppler pulsada suele utilizar una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media,  de entre 3 kHz y 30  kHz aproximadamente. El alcance entre pulsos transmitidos es de entre 5  km y 50  km.

El alcance y la velocidad no se pueden medir directamente con una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media, y se requiere resolución de ambigüedades para identificar el alcance y la velocidad reales. Las señales Doppler generalmente superan 1  kHz, lo que las hace audibles, por lo que las señales de audio de los sistemas de PRF media se pueden utilizar para la clasificación pasiva de objetivos.

Los sistemas de radar requieren medición angular. Los transpondedores no suelen estar asociados con el radar Doppler pulsado, por lo que se requiere la supresión de lóbulos laterales para su funcionamiento práctico. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Los sistemas de radar de seguimiento utilizan el error angular para mejorar la precisión mediante mediciones perpendiculares al haz de la antena. Estas mediciones angulares se promedian durante un período de tiempo y se combinan con el movimiento radial para generar información que permita predecir la posición del objetivo a corto plazo.

Las dos técnicas de error angular utilizadas con el radar de seguimiento son el monopulso y el escaneo cónico .

El radar de pulso-Doppler requiere un oscilador coherente con muy poco ruido. El ruido de fase reduce el rendimiento de la visibilidad por debajo del ruido de fondo al producir un movimiento aparente en objetos estacionarios.

El magnetrón de cavidad y el amplificador de campo cruzado no son adecuados, ya que el ruido que introducen interfiere con el rendimiento de la detección. Los únicos dispositivos de amplificación adecuados para el Doppler pulsado son el klistrón , el tubo de onda progresiva y los dispositivos de estado sólido.

El procesamiento de señales por pulsos Doppler introduce un fenómeno llamado ondulación. Este nombre se asocia con una serie de huecos que se eliminan del rendimiento de detección.

El escaneo de radar de pulso-Doppler implica velocidades ciegas generadas por el filtro de rechazo de interferencias. Cada volumen del espacio debe escanearse utilizando tres o más frecuencias de repetición de pulsos (PRF) diferentes. Un esquema de detección con dos PRF presentará zonas sin detección con un patrón de rangos discretos, cada uno con una velocidad ciega.

Los artefactos de resonancia plantean un problema para la búsqueda, la detección y la resolución de ambigüedades en el radar Doppler pulsado.

El zumbido se reduce de dos maneras.

En primer lugar, se ajusta la forma del pulso de transmisión para suavizar los flancos de subida y bajada, de modo que la potencia de RF aumente y disminuya sin cambios bruscos. Esto genera un pulso de transmisión con extremos suaves en lugar de una onda cuadrada, lo que reduce el fenómeno de oscilación asociado a la reflexión del objetivo.

En segundo lugar, la forma del pulso recibido se ajusta mediante una función de ventana que minimiza las oscilaciones que se producen cada vez que los pulsos se aplican a un filtro. En un sistema digital, esto ajusta la fase y/o la amplitud de cada muestra antes de aplicarla a la transformada rápida de Fourier . La ventana de Dolph-Chebyshev es la más eficaz porque produce una base de procesamiento plana sin oscilaciones que, de otro modo, causarían falsas alarmas. ^{[ 13 ]}

El radar de pulsos Doppler generalmente se limita a antenas de puntería mecánica y a conjuntos de antenas de fase activa.

Los componentes mecánicos de radiofrecuencia, como las guías de onda, pueden producir modulación Doppler debido al desfase inducido por la vibración. Esto exige realizar pruebas operativas de espectro completo utilizando mesas vibratorias capaces de generar vibraciones mecánicas de alta potencia en todas las frecuencias de audio previstas.

El efecto Doppler es incompatible con la mayoría de las antenas de matriz en fase de direccionamiento electrónico pasivo . Esto se debe a que los elementos del desfasador de la antena no son recíprocos y el desfase debe ajustarse antes y después de cada pulso de transmisión. El impulso repentino del desfasador produce un desfase espurio, y el tiempo de estabilización durante el período de recepción entre pulsos de transmisión coloca la modulación Doppler sobre el ruido estacionario. Esta modulación de recepción distorsiona la medición del rendimiento para la visibilidad sub-ruido. Se requiere un tiempo de estabilización del desfasador del orden de 50 ns. El inicio del muestreo del receptor debe posponerse al menos una constante de tiempo de estabilización del desfasador (o más) por cada 20  dB de visibilidad sub-ruido.

La mayoría de los desplazadores de fase de antena que operan a una PRF superior a 1  kHz introducen un desplazamiento de fase espurio a menos que se tomen medidas especiales, como reducir el tiempo de estabilización del desplazador de fase a unas pocas decenas de nanosegundos. ^{[ 14 ]}

A continuación se muestra el tiempo máximo de estabilización permitido para los módulos de desplazamiento de fase de antena . $${\displaystyle T={\frac {1}{e^{\frac {\text{SCV}}{20}}\times S\times {\text{PRF}}}},}$$ dónde

• T = tiempo de estabilización del cambiador de fase,
• SCV = visibilidad de subruido en dB ,
• S = número de muestras de rango entre cada pulso de transmisión,
• PRF = frecuencia máxima de repetición de pulsos de diseño.

El tipo de antena y el rendimiento de escaneo son consideraciones prácticas para los sistemas de radar multimodo.

Las superficies irregulares, como las olas y los árboles, forman una rejilla de difracción adecuada para desviar las señales de microondas. El radar Doppler pulsado puede ser tan sensible que la difracción de montañas, edificios o crestas de olas se puede utilizar para detectar objetos que se mueven rápidamente y que, de otro modo, quedarían bloqueados por obstáculos sólidos en la línea de visión. Este es un fenómeno con grandes pérdidas que solo es posible cuando el radar tiene una visibilidad significativamente superior a la del ruido de fondo.

La refracción y la propagación por conductos utilizan frecuencias de transmisión en banda L o inferiores para extender el horizonte, lo cual es muy diferente de la difracción. La refracción para radares de largo alcance utiliza la densidad variable en la columna de aire sobre la superficie terrestre para desviar las señales de radiofrecuencia. Una capa de inversión puede producir un conducto troposférico transitorio que atrapa las señales de radiofrecuencia en una fina capa de aire, como una guía de ondas.

La visibilidad de los elementos que generan interferencias implica la relación máxima entre la potencia de las interferencias y la potencia del objetivo, la cual es proporcional al rango dinámico. Esto determina el rendimiento en condiciones climáticas adversas y cerca de la superficie terrestre. $${\displaystyle {\text{dynamic range}}=\min {\begin{cases}{\tfrac {\text{carrier power}}{\text{noise power}}}&{\text{transmit noise, where bandwidth is }}{\tfrac {\text{PRF}}{\text{filter size}}}\\2^{{\text{sample bits}}+{\text{filter size}}}&{\text{receiver dynamic range}}\end{cases}}.}$$

La visibilidad de la señal subclutter es la relación entre la señal más pequeña que se puede detectar en presencia de una señal más grande. $${\displaystyle {\text{subclutter visibility}}={\frac {\text{dynamic range}}{\text{CFAR detection threshold}}}.}$$

Se puede detectar el reflejo de un objetivo pequeño que se mueve rápidamente en presencia de reflejos de interferencia más grandes que se mueven lentamente cuando se cumple lo siguiente: $${\displaystyle {\text{target power}}>{\frac {\text{clutter power}}{\text{subclutter visibility}}}.}$$

La ecuación del radar Doppler pulsado permite comprender las compensaciones entre diferentes restricciones de diseño, como el consumo de energía, el alcance de detección y los riesgos de seguridad de las microondas. Se trata de una forma de modelado muy sencilla que permite evaluar el rendimiento en un entorno controlado.

El rendimiento del rango teórico es el siguiente.

${\displaystyle R=\left({\frac {P_{\text{t}}G_{\text{t}}A_{\text{r}}\sigma FD}{16\pi ^{2}k_{\text{B}}TBN}}\right)^{\frac {1}{4}},}$

dónde

R = distancia al objetivo,

P _t = potencia del transmisor,

G _t = ganancia de la antena transmisora,

A _r = apertura efectiva (área) de la antena receptora,

σ = sección transversal de radar , o coeficiente de dispersión, del objetivo,

F = factor de propagación del patrón de antena ,

D = tamaño del filtro Doppler (transmite pulsos en cada transformada rápida de Fourier ),

k _B = constante de Boltzmann ,

T = temperatura absoluta,

B = ancho de banda del receptor (filtro de paso de banda) ,

N = factor de ruido .

Esta ecuación se obtiene combinando la ecuación del radar con la ecuación del ruido y teniendo en cuenta la distribución del ruido dentro de la banda a través de múltiples filtros de detección. El valor D se añade a la ecuación estándar del alcance del radar para considerar tanto el procesamiento de la señal Doppler pulsada como la reducción del ruido FM del transmisor .

El rango de detección aumenta proporcionalmente a la raíz cuarta del número de filtros para un consumo de energía determinado. Alternativamente, el consumo de energía se reduce en la cantidad de filtros para un rango de detección determinado.

El procesamiento de señales Doppler de pulsos integra toda la energía de los pulsos reflejados individualmente que llegan al filtro. Esto significa que un sistema de procesamiento de señales Doppler de pulsos con 1024 elementos proporciona  una mejora de 30,103 dB debido al tipo de procesamiento de señal que debe utilizarse con el radar Doppler de pulsos. La energía de todos los pulsos individuales provenientes del objeto se suma mediante el proceso de filtrado.

El procesamiento de señal para un filtro de 1024 puntos mejora el rendimiento en 30,103  dB, suponiendo que el transmisor y la antena sean compatibles. Esto corresponde a un aumento del 562 % en la distancia máxima.

Estas mejoras son la razón por la que el Doppler pulsado es esencial para la industria militar y la astronomía.

Se requiere una consideración especial para aeronaves con grandes partes móviles, ya que el radar Doppler pulsado funciona como un bucle de enganche de fase . Las puntas de las palas, que se mueven a una velocidad cercana a la del sonido, producen la única señal detectable cuando un helicóptero se desplaza lentamente cerca del terreno y en condiciones climáticas adversas.

Un helicóptero parece un emisor de ruido pulsante rápido, excepto en un entorno claro y libre de obstáculos. Se produce una señal audible para la identificación pasiva del tipo de objeto aéreo. El desplazamiento de frecuencia Doppler de microondas producido por el movimiento del reflector cae dentro del rango de sonido audible para los seres humanos ((20–20 000  Hz ), que se utiliza para la clasificación de objetivos además de los tipos de visualización de radar convencionales utilizados para ese propósito, como A-scope, B-scope, C-scope e indicador RHI. El oído humano puede distinguir la diferencia mejor que los equipos electrónicos.

Se requiere un modo especial porque la información de retroalimentación de velocidad Doppler debe desvincularse del movimiento radial para que el sistema pueda pasar del escaneo al seguimiento sin bloqueo.

Se requieren técnicas similares para desarrollar información de seguimiento para señales de interferencia y bloqueo que no puedan satisfacer el criterio de enganche.

El radar de impulsos Doppler debe ser multimodo para poder gestionar los giros y los cruces de trayectoria de las aeronaves.

Una vez en modo de seguimiento, el radar Doppler pulsado debe incluir un mecanismo para modificar el filtrado Doppler en el espacio circundante a la trayectoria cuando la velocidad radial cae por debajo de la velocidad mínima de detección. El ajuste del filtro Doppler debe estar vinculado a una función de seguimiento del radar para ajustar automáticamente la velocidad de rechazo Doppler dentro del espacio circundante a la trayectoria.

El seguimiento cesará sin esta función, ya que, de lo contrario, la señal del objetivo será rechazada por el filtro Doppler cuando la velocidad radial se aproxime a cero, debido a que no hay cambio en la frecuencia.

El funcionamiento multimodo también puede incluir iluminación de onda continua para la localización por radar semiactivo .