Radiolokacja dopplerowska

Radiowe namierzanie Dopplera , w skrócie Doppler DF , to radiowa metoda namierzania kierunku , która generuje dokładne informacje o namiarach przy minimalnej ilości elektroniki. Najlepiej nadaje się do VHF i UHF , a wskazanie kierunku zajmuje tylko chwilę. Dzięki temu nadaje się do pomiaru lokalizacji zdecydowanej większości transmisji komercyjnych, amatorskich i automatycznych. Doppler DF jest jedną z najczęściej stosowanych technik namierzania kierunku. Inne techniki wyznaczania kierunku są generalnie stosowane tylko w przypadku sygnałów ulotnych lub dłuższych lub krótszych długości fal.

System Doppler DF wykorzystuje efekt Dopplera do określenia, czy poruszająca się antena odbiornika zbliża się, czy oddala od źródła. Wczesne systemy wykorzystywały anteny zamontowane na wirujących dyskach do tworzenia tego ruchu. W nowoczesnych systemach anteny nie poruszają się fizycznie, ale elektrycznie, szybko przełączając się między zestawem kilku anten. Dopóki przełączanie następuje wystarczająco szybko, co jest łatwe do zaaranżowania, efekt Dopplera będzie wystarczająco silny, aby określić kierunek sygnału. Ta odmiana jest znana jako pseudo-Doppler DF lub czasami sekwencyjna faza DF . Ta nowsza technika jest tak szeroko stosowana, że ​​często jest to Doppler DF widziany w większości odniesień.

Znalezienie kierunku

Wczesne rozwiązania do namierzania kierunku radiowego (RDF) wykorzystywały wysoce kierunkowe anteny z ostrymi „zerami” we wzorcu odbioru. Operator obracał antenę, szukając punktów, w których sygnał albo osiągnął maksimum, albo częściej nagle zanikał lub „zerowy”. Typową konstrukcją anteny RDF jest antena pętlowa , która jest po prostu pętlą z drutu z małą przerwą w okręgu, zwykle ułożoną tak, aby obracała się wokół osi pionowej z przerwą u dołu. Niektóre systemy wykorzystywały anteny dipolowe zamiast pętli. Przed latami trzydziestymi XX wieku sygnały radiowe mieściły się na ogół w tym, co dziś byłoby znane jako fal długich . Do skutecznego odbioru tych sygnałów potrzebne są bardzo duże anteny. Znalezienie kierunku za pomocą obracających się anten jest trudne na tych długościach fal ze względu na rozmiar anten.

Wielki postęp w technice RDF został wprowadzony w postaci systemu namierzania kierunku Belliniego-Tosiego , który zastąpił obrót anteny obrotem małej cewki drutu podłączonej do dwóch nieruchomych anten pętlowych. Anteny pętlowe były podobne do tych stosowanych we wcześniejszych systemach, ale były ustawione na stałe, ustawione względem siebie pod kątem prostym, tworząc układ w kształcie krzyża. Każda antena będzie generować inny sygnał wyjściowy, którego względna siła zależy od tego, jak blisko jest sygnał do wartości zerowej każdej z anten. Sygnały te były przesyłane do dwóch cewek drutu, cewek polowych , również ułożonych pod kątem prostym. Odtworzyły one oryginalne sygnały na znacznie mniejszej przestrzeni, mniej więcej wielkości puszki po napojach . Obracając małą antenę pętlową, cewkę czujnikową , w przestrzeni między dwiema skrzyżowanymi cewkami polowymi, można wykonać DF. W efekcie odtworzono tradycyjną technikę na znacznie mniejszą skalę, umożliwiając zbudowanie głównych anten w dowolnym rozmiarze.

Robert Watson-Watt przedstawił kolejny duży postęp w wyszukiwaniu kierunku jako system „huff-duff”, pseudonim dla wyszukiwania kierunku o wysokiej częstotliwości . Huff-duff również używał skrzyżowanych anten, często anteny Adcocka , ale wysyłał swoje wyjście do dwóch kanałów oscyloskopu . Względne siły i fazy dwóch sygnałów odchylały położenia X i Y wiązki elektronów oscyloskopu o różne wartości, powodując pojawienie się elipsy lub cyfry 8 na ekranie, z długą osią wskazującą kierunek sygnału. Odczyt był zasadniczo natychmiastowy i okazał się zdolny do łatwego wykrycia nawet krótkich transmisji. Huff-duff był używany w około jednej czwartej wszystkich udanych łodzi podwodnych .

Oba te systemy mają wady. System Bellini-Tosi nadal ma ruchome części, choć małe, ale ma poważniejsze ograniczenie, ponieważ wymaga od operatora polowania na sygnał, co może zająć kilka minut. Huff-duff zapewnia bezpośrednie i natychmiastowe wskazanie kierunku sygnału, ale tylko kosztem oscyloskopu lub podobnego systemu wyświetlania o równie szybkiej odpowiedzi. Oba wymagają dwóch ściśle dopasowanych odbiorników i wzmacniaczy, a często trzeciego dla anteny „sensownej”, jeśli jest używana.

efekt Dopplera

Jeśli umieści się antenę na ruchomej platformie, takiej jak dach ciężarówki, ruch ciężarówki spowoduje, że efekt Dopplera przesunie częstotliwość sygnału w górę, gdy porusza się on w kierunku sygnału, lub w dół, gdy się oddala. Gdy ciężarówka jedzie pod kątem prostym do sygnału lub w ogóle się nie porusza, zmiana nie nastąpi. Jeśli ciężarówka porusza się po okrągłym torze, zdarza się, że zbliża się do sygnału, oddala się od niego lub porusza się pod kątem prostym. Spowoduje to wzrost i spadek przesunięcia częstotliwości sygnału docelowego, tworząc z modulacją częstotliwości (FM), znany jako fala sinusoidalna Dopplera . Sygnał FM ma taką samą częstotliwość jak prędkość obrotowa pojazdu.

Wielkość przesunięcia jest funkcją długości fali sygnału i prędkości kątowej anteny:

S = r W / λ

Gdzie S to przesunięcie częstotliwości Dopplera (Hz), r to promień koła, W to prędkość kątowa w radianach na sekundę, λ to docelowa długość fali, a c to prędkość światła w metrach na sekundę. Konwersja do bardziej powszechnych jednostek:

Aby przeliczyć Hz na radiany na sekundę, pomnóż przez 6,28 (2 pi)
Aby przeliczyć MHz na Hz, pomnóż przez 1 milion
Eliminacja stałych daje (6,28 × 1000000) / 300000000 = 1 / 0,02093... ~= 48

Takie, że:

S = r Fr Fc / 48

Gdzie Fr to częstotliwość rotacji w Hz, a Fc to częstotliwość docelowa w MHz.

Rozważmy przykład ciężarówki polującej na stację radiową FM na częstotliwości 101,5 MHz podczas jazdy wokół pola o szerokości 100 metrów (330 stóp) (promień 50 m) z prędkością 25 kilometrów na godzinę (16 mil na godzinę). Obwód platformy wynosi 2π⋅50 lub 314 m, a jej prędkość w m/s wynosi 25 000 / 60 / 60 ~= 7 m/s, więc ciężarówka pokonuje jeden obwód w 314 / 7 = 45 sekund. Fr wynosi zatem 1 / 45 . Wprowadzając to do powyższego wzoru, przesunięcie częstotliwości wynosi:

S = 50 × 0,0222... × 101,8 / 48 = 2,4 Hz

Ta wielkość przesunięcia częstotliwości jest zbyt mała, aby można ją było dokładnie zmierzyć. Aby poprawić szanse wykrycia, należy zwiększyć iloczyn r W. Z tego powodu systemy Doppler DF zwykle montują swoje anteny na małym dysku, który jest obracany z dużą prędkością za pomocą silnika elektrycznego. Wykonanie tych samych obliczeń przy użyciu anteny zamontowanej na dysku o średnicy 50 centymetrów (20 cali) obracającym się z częstotliwością 1000 Hz daje:

S = 0,25 × 1000 × 101,8 / 48 = 530 Hz

Co łatwo wykryć. Niemniej jednak taka prędkość obrotowa, 60 000 obr./min, wymaga precyzyjnych systemów. Ponieważ anteny muszą poruszać się z bardzo dużymi prędkościami, technika ta jest naprawdę użyteczna tylko w przypadku sygnałów o wyższych częstotliwościach, gdzie anteny mogą być krótsze, a wyższe Fc daje większą dywidendę.

Wczesne przykłady systemów Dopplera DF pochodzą co najmniej z 1941 roku i były używane w Wielkiej Brytanii do polowania na niemieckie radary wczesnego ostrzegania , które działały z częstotliwością 250 MHz w paśmie 1,25 metra . Do 1943 roku dostępne były przykłady, które działały w regionie UHF, używane do znajdowania niemieckich radarów Würzburg działających na częstotliwości 560 MHz.

Istotną zaletą tej techniki jest to, że wymaga tylko jednego odbiornika, wzmacniacza i odpowiedniego demodulatora FM. W przeciwieństwie do systemów Huff-duff i BT wymagają dwóch ściśle dopasowanych odbiorników, po jednym dla każdej pary anten, a często trzeciego dla kanału sensownego. Powszechne cywilne zastosowanie tej techniki rozpoczęło się dopiero po wprowadzeniu praktycznych obwodów detektora kwadraturowego i pętli synchronizacji fazowej , które znacznie uprościły odbiór sygnałów FM. Jego użycie z grubsza podąża za rozprzestrzenianiem się radia FM , które również korzystało z tych technik.

Pseudo-Doppler

Aby jeszcze bardziej uprościć system, można symulować ruch anteny za pomocą niewielkiej ilości dodatkowej elektroniki. Jest to znajdowania kierunku pseudo-Dopplera .

Rozważmy parę anten dookólnych odbierających sygnał z docelowego nadajnika. Gdy sygnał przechodzi przez odbiornik, amplituda sygnału na antenach rośnie i maleje. Na dużych odległościach od nadajnika, daleko w „dalekim polu” , czoła fal można uznać za równoległe. Jeśli dwie anteny są ustawione prostopadle do linii do celu, różnica faz między nimi wynosi zero, natomiast jeśli są ustawione równolegle do linii, różnica faz będzie funkcją odległości między nimi i długości fali sygnału .

W tym przykładzie rozważmy, że dwie anteny są oddalone od siebie o 1 ⁄ 4 docelowej długości fali i ustawione równolegle do niej. Gdyby dwie anteny były próbkowane natychmiast, różnica faz między nimi zawsze byłaby taka sama, 90 °. Ale jeśli zamiast tego przełączy się wejście z jednej anteny na drugą, zawsze będzie istniało pewne nieodłączne opóźnienie, w którym sygnał będzie nadal przechodził przez dwie anteny. W takim przypadku, jeśli oryginalna próbka została pobrana, gdy szczyt czoła fali znajdował się przy bliższej antenie, a następnie system przełączy się na dalszą antenę, faza nie będzie miała 90 °, ale nieco mniej, ponieważ czoło fali zbliżyło się do drugiej anteny podczas ten czas.

Rozważmy teraz serię takich anten rozmieszczonych na obwodzie koła i przełącznik, który łączy się z antenami po kolei zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Jeśli sygnał docelowy znajduje się w pozycji na godzinie 12, przesunięcie fazowe zostanie zwiększone, gdy przełącznik porusza się „do przodu” między pozycjami na godzinie 7 i 11, a zmniejszone, gdy zostanie przesunięte, między 1 a 5. Podczas przełączania między antenami prostopadłymi do linii do sygnału, 11 do 1 i 5 do 7, przesunięcie będzie miało stałą wartość.

Sygnał z anten jest przesyłany do pojedynczego odbiornika, w wyniku czego powstaje seria impulsów, których amplituda zależy od fazy w momencie próbkowania. Sygnał ten jest następnie wygładzany w celu wytworzenia fali sinusoidalnej. Ta sinusoida jest modulowana dokładnie tak, jak w przypadku pojedynczej ruchomej anteny. W przypadku ruchomej anteny częstotliwość zmienia się, ponieważ antena porusza się przez czoło fali, podczas gdy w przypadku pseudodopplera jest to osiągane poprzez synchronizację próbek w celu symulacji ruchu pojedynczej anteny. Kierunek do nadajnika docelowego można następnie określić w taki sam sposób, jak w przypadku ruchomej anteny, porównując fazę tego sygnału z sygnałem odniesienia. W tym przypadku odniesieniem jest sygnał zegara wyzwalający przełącznik.

Ponieważ nie ma ruchomych części i można go zbudować przy użyciu prostej elektroniki, technika pseudo-Dopplera jest bardzo popularna. Chociaż nie jest to tak szybkie, jak dokonywanie pomiarów, jak w przypadku systemu „huff-duff”, w nowoczesnych systemach pomiar jest tak szybki, że praktyczna różnica między tymi dwoma koncepcjami jest niewielka. Pseudo-Doppler ma tę istotną zaletę, że system antenowy jest znacznie prostszy, wykorzystując anteny jednobiegunowe , a jeśli układ przełączający znajduje się na antenie, tylko jeden przewód biegnie z powrotem do odbiornika, a zatem wymagany jest tylko jeden wzmacniacz. Ponieważ ta technika jest tak szeroko stosowana, często nazywa się ją po prostu Doppler DF, rzadko dodaje się „pseudo”.

Główną wadą tej techniki jest konieczność większego przetwarzania sygnału. Ponieważ „ruch” w pseudodopplerze przebiega skokowo, wynikowy sygnał nie jest gładki, jak ma to miejsce w przypadku ruchomej anteny. Daje to sygnał ze znaczną liczbą wstęg bocznych , które należy odfiltrować. System przełączania wprowadza również szumy elektroniczne, dodatkowo dezorientując wyjście. Nowoczesne przetwarzanie sygnału może z łatwością zredukować te efekty do nieistotności.

Notatki

Cytaty

Bibliografia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Doppler_radio_direction_finding&oldid=1098116286 ”