Jakie ograniczenia mocy miał pokonać radar ćwierkający?

Chirped Pulse Amplification (CPA) to technika optyki, zdobywca nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 r., Która jest używana do wytwarzania krótkich impulsów laserowych o natężeniach, które są wystarczająco wysokie, aby ośrodek wzmocnienia zniszczyłby się w wyniku zjawisk nieliniowych, gdyby próbował wzmocnić pulsuj bezpośrednio, umieszczając wzmacniacz między noszami impulsowymi a kompresorem.

W optyce powszechny jest folklor, że technika ta została pierwotnie opracowana do wzmacniania sygnałów radarowych gdzieś we wczesnym okresie historii elektroniki i ma sens, że jeśli masz kruchy wzmacniacz lampowy lub coś takiego, możesz wymienić optyczne siatki dyfrakcyjne dla odpowiednio rozpraszających falowodów mikrofalowych lub czegokolwiek, co stosowano w latach sześćdziesiątych, i czyniłoby cuda, aby chronić wrażliwą elektronikę przed smażeniem.

Aby wyjść poza to niejasne zrozumienie, starałem się przyjrzeć dokładnie, jakie problemy ze wzmocnieniem radaru były celem oryginalnej pracy rozciągania, wzmacniania i kompresji (nie jestem pewien, czy nazwa CPA była już używana podczas jej opracowywania) , nawet jeśli naprawdę jest używany do opisywania takich systemów w kontekście elektronicznym), do czego był używany w elektronice, kiedy skoczył do optyki w 1985 roku, i bardziej ogólnie, jaka jest historia jego rozwoju. Jest jednak kilka ostrych krawędzi, których nie jestem pewien i mam nadzieję, że to SE jest dobrym miejscem, aby o nie zapytać.

Oryginalny papier CPA,

Kompresja wzmocnionych impulsów optycznych. D. Strickland i G. Mourou. Optyka Comms. 55 , 447 (1985) .

przyznaje, że technika ta jest analogiczna do rozwiązań, które były już używane w radarach, i wysyła czytelnika do przyjaznej dla początkujących recenzji w

Radary z układem fazowym. E. Brookner. Scientific American 252 , luty 1985, s. 94-102. .

ale jest to trochę ślepy zaułek bibliograficzny, ponieważ nie ma żadnych odniesień. W szczególności uderza mnie fakt, że techniki różnią się znacznie.

• W optyce chcemy mieć krótki puls i chcemy, aby był silny. To pozwala nam następnie zbadać nieliniowe zjawiska optyczne, które mogą osiągnąć całkiem ekstremalne stopnie . Oznacza to, że musimy skompresować puls, zanim użyjemy go do zrobienia czegokolwiek, co chcemy osiągnąć.

• Z drugiej strony w opisie Stricklanda i Brooknera jasne jest, że elektronika naprawdę zależy tylko na kompresji impulsu tuż przed jego końcową analizą i że system jest całkowicie zadowolony z wysyłania nieskompresowanego impulsu do interakcji z dowolnymi samolotami lub grejpfrutami - są tam metalowe przedmioty o dużych rozmiarach, a następnie kompresja.

Ten pogląd podkreśla bardziej dostępny raport Rochester,

Przegląd LLE , raport kwartalny, październik-grudzień 1985 . Laboratory for Laser Energetics, Rochester, NY. § 3B, s. 42–46 .

Próbuję bardziej szczegółowo zagłębić się w szczegóły. Wikipedia odsyła zainteresowanego czytelnika do recenzji z 1960 roku, po odtajnieniu technologii,

Impulsowy klucz kompresji do bardziej wydajnej transmisji radaru. CE Cook. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

ale staram się zrozumieć, jakie problemy starali się rozwiązać. Od wprowadzenia Cooka

W większości przypadków zapotrzebowanie na zwiększony zasięg wykrywania nie odbywa się kosztem normalnych wymagań taktycznych dla pewnej minimalnej zdolności do rozwiązywania zasięgu. W obliczu tej sytuacji projektanci lamp radarowych byli zmuszeni skoncentrować się na zwiększeniu szczytowych mocy swoich lamp, ponieważ względy taktyczne nie pozwoliły na zwiększenie zasięgu detekcji poprzez zwiększenie średniej mocy za pomocą szerszego transmitowanego impulsu. W rezultacie w wielu sytuacjach lampy o dużej mocy są stosowane nieefektywnie, jeśli chodzi o średnią moc. Aby zrekompensować tę nieefektywność, inżynierowie opracowali techniki integracji po wykryciu, aby rozszerzyć zasięg wykrywania radaru. Techniki te prowadzą również do dalszej nieefektywności, jeśli chodzi o wykorzystanie całkowitej dostępnej średniej mocy.

Nie jest tu jasne, jakie „taktyczne wymagania” są tutaj zagrożone, oraz dlaczego i jak wpływają one zarówno na szerokość impulsu, średnią moc, jak i na szczytowe zapotrzebowanie mocy w systemie.

Patenty Dicke i Darlington nieco pomagają ustalić, na czym polega problem, szczególnie w odniesieniu do iskrzenia na antenach jako ograniczenia maksymalnej mocy impulsu radarowego zarówno wewnątrz wzmacniacza, jak i następujących po nim elementów wyjściowych. (Jest to w przeciwieństwie do przypadku optycznego CPA, w którym problem polega na tym, że nośniki wzmocnienia laserowego mają próg intensywności, powyżej którego nieliniowe efekty, takie jak autofokus i filamentacja laserowa zniszczy medium wzmocnienia, ale idealnie dobrze jest świecić impulsami o wysokiej intensywności w lusterkach lub innych takich elementach wyjściowych.) Jednak wspomnienie Cooka w późniejszym terminie o szczególnych wymaganiach dotyczących zarówno mocy szczytowej, jak i średniej mocy budzi moje podejrzenia że dzieje się tu więcej, czego nie widzę wyraźnie.

Podsumowując tę ​​nieporozumienia w kilku bardziej konkretnych pytaniach:

• Jakie szczególne wymagania dotyczące szczytowych i średnich mocy oraz szerokości impulsów radarowych miał pokonać radar ćwierkający? Czy były to czysto „wewnętrzne” obawy dotyczące elektroniki, czy też były jakieś zewnętrzne cele i ograniczenia, które byłyby trudne do spełnienia w inny sposób?
• Czy nazwa „ćwierkające wzmocnienie impulsu” jest kiedykolwiek używana w kontekście radaru?
• Czy CPA w stylu optyki - rozciągaj, wzmacniaj, kompresuj, a następnie używaj impulsu - jest w ogóle stosowany w aplikacjach radarowych lub w szerszych dziedzinach elektroniki?

W żadnym wypadku nie jestem ekspertem od radarów, ale myślę, że rozumiem ogólne pojęcia wystarczająco dobrze, aby spróbować odpowiedzieć na twoje pytania.

Jakie szczególne wymagania dotyczące szczytowych i średnich mocy oraz szerokości impulsów radarowych miał pokonać radar ćwierkający? Czy były to czysto „wewnętrzne” obawy dotyczące elektroniki, czy też były jakieś zewnętrzne cele i ograniczenia, które byłyby trudne do spełnienia w inny sposób?

Podstawowym problemem radaru jest uzyskanie zarówno odpowiedniej mocy dla całkowitego zasięgu, jak i dobrej rozdzielczości czasowej dla rozdzielczości zasięgu. Trudno jest zbudować wzmacniacze dużej mocy dla częstotliwości mikrofalowych. Chcesz mieć dużo energii w każdym przesyłanym impulsie, ale chcesz też, aby puls był krótki. Rozwiązaniem, jak odkryliście w optyce, jest rozciągnięcie impulsu przez ćwierkanie, co pozwala wzmacniaczowi mocy pracować z niższą mocą przez dłuższy czas w celu uzyskania tej samej energii impulsu.

Teraz, w radarach, nie ma znaczenia, czy nie ponownie skompresujesz impulsu przed podaniem go do anteny - impuls ćwierkający działa równie dobrze jak impuls skompresowany w zakresie wykrywania obiektów.

W rzeczywistości zyskujesz dodatkowe korzyści, kiedy odbicia wracają, ponieważ teraz możesz wzmocnić ćwierkający sygnał w odbiorniku (uzyskując niektóre z tych samych zalet, co we wzmacniaczu nadajnika w odniesieniu do mocy szczytowej do średniej), i możesz użyć „dopasowany filtr” do kompresji impulsu tuż przed wykryciem, co ma dodatkową zaletę polegającą na odrzuceniu wielu potencjalnych źródeł zakłóceń. Wąskie impulsy wychodzące z filtra odbiornika zapewniają potrzebną rozdzielczość czasową.

Czy nazwa „ćwierkające wzmocnienie impulsu” jest kiedykolwiek używana w kontekście radaru?

Zasadniczo nie, ponieważ wzmocnienie nie jest jedynym powodem, dla którego stosuje się ćwierkanie.

Czy CPA w stylu optyki - rozciągaj, wzmacniaj, kompresuj, a następnie używaj impulsu - jest w ogóle stosowany w aplikacjach radarowych lub w szerszych dziedzinach elektroniki?

O ile mi wiadomo, ale z pewnością byłoby to wykonalne.

Wymóg taktyczny, o którym mówi Cook, to niezawodne wykrywanie celu w hałasie i zakleszczeniu, to jest problem wykrywania i niezawodna rozdzielczość celu na spójnym tle, to jest problem dyskryminacji.

W konwencjonalnym radarowym impulsie te dwa problemy rozwiązuje zwiększona energia impulsu i zmniejszona szerokość impulsu. Krótszy puls ma większą szansę na zobaczenie sam, niż dłuższy, gdy wiele celów jest obecnych jednocześnie, a ponieważ dopasowany stosunek sygnału wyjściowego filtra do szumu jest niezależny od kształtu impulsu i jest maksymalny wśród wszystkich możliwych filtrów szumu, problem taktyczny jest rozwiązywany przez posiadanie sygnału radarowego, dzięki czemu jego dopasowany filtr ma możliwie krótką długość, dzięki czemu wiele zwrotów celu jest dobrze oddzielonych w czasie. Zatem dla działania radaru nie ma znaczenia, jaki jest impuls radaru, ale co dzieje się po tym, jak echo wyskoczy z dopasowanego filtra. Od amplitudy wyjściowej dopasowanego filtra, a zatem jego SNR, jest proporcjonalny do transmitowanej energii impulsu, którą możemy manipulować, modulować, co przesyłamy i osiągnąć taką samą wydajność taktyczną, o ile odbierany SNR i długość impulsu filtra po dopasowaniu są takie same.

Ponieważ wydajność zależy od energii nadawania i jest niezależna od mocy nadawania, a wszystkie nadajniki radarowe mają ograniczoną moc, projektanci radarów nigdy celowo nie stosują modulacji amplitudy, a wszelka modulacja wewnątrzpulsowa jest fazą lub częstotliwością. Typowym i najstarszym w konwencjonalnym radarach pulsacyjnych jest radar ćwierkający, ale istnieje wiele innych schematów modulacji częstotliwości lub faz. Podczas gdy ćwierkanie jest najstarszym i koncepcyjnie najprostszym, w przypadku bardzo wrażliwych radarów jest rzadko używane. Powodem tego jest to, że sygnał wyjściowy dopasowanego filtra dla radaru ćwierkającego generuje sygnał wyjściowy (tak zwany boczny czas) od pożądanego piku, który ma wyższą amplitudę i dłuższy czas (dzwonienie) niż czasem jest pożądane. To „dzwonienie” na wysokim poziomie zapobiega rozróżnianiu mniejszych celów przez sygnał wyjściowy większego celu, który jest w pobliżu.