Bei der Pulskompression wird der gesendete Impuls mit einem bestimmten Code oder einer bestimmten Wellenform moduliert, z. B. mit einer linearen Frequenzmodulation (zirpen), eine Phasenschiebertastung (PSK)oder einen Barker-Code. Der Empfänger wendet dann einen angepassten Filter oder einen Korrelator an das empfangene Signal an, der den Impuls zeitlich komprimiert und seine Spitzenleistung erhöht. Der angepasste Filter oder Korrelator ist so konzipiert, dass er dem Code oder der Wellenform des übertragenen Impulses entspricht, so dass er die Ausgabe maximiert, wenn das empfangene Signal mit dem erwarteten Signal übereinstimmt.
FM chirping allows a radar to use all solid state components and not have to use a klystron power tube in it's final output, as in the Federal Aviation Administration's Digital ASR 11.
Pulse compression is a signal processing technique used in radar systems to improve resolution and detection capabilities. It involves modulating the transmitted pulse, typically in frequency or phase, to increase the time-bandwidth product. The radar transmits a long, coded pulse, and upon receiving the echo, it processes this echo using a matched filter. This filter correlates the received signal with the transmitted code, effectively compressing the long pulse duration into a much shorter one. The primary advantage of this technique is that it combines the benefits of long pulse durations, which provide high energy and thus improved detection range, with the high resolution typically associated with short pulses.
Die Pulskompression bietet zahlreiche Vorteile für Radarsysteme, wie z. B. eine verbesserte Entfernungsauflösung und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Die zeitliche Komprimierung des Impulses ermöglicht eine feinere Auflösung als die Pulsbreite, und die Erhöhung der Spitzenleistung des empfangenen Signals ermöglicht die Erkennung schwächerer Ziele. Darüber hinaus erleichtert die Pulskompression die Verwendung langer Pulse, die eine höhere Energie haben und sich weiter ausbreiten können als kurze Pulse, was zu einer größeren Reichweite und einer besseren Erkennungsleistung führt. Schließlich reduziert es den Spitzenleistungsbedarf des Senders, was Energieeinsparungen und den Schutz des Senders und der Antenne ermöglicht.
One of the main benefits of pulse compression is the enhanced range resolution it provides. By compressing a long pulse into a short one, the radar can distinguish between two closely spaced targets that might otherwise appear as a single target. This improvement in resolution is critical in environments where targets are clustered together, such as in air traffic control or battlefield surveillance. Additionally, pulse compression increases the signal-to-noise ratio (SNR). A longer transmitted pulse means more energy is sent out, which improves the radar's ability to detect weak echoes from distant or low-reflectivity targets.
Die Impulskompression stellt Radarsysteme vor einige Herausforderungen, wie z. B. die Einführung von Entfernungsnebenkeulen, die die Ziele in der Nähe des Hauptpeaks in der Reichweite maskieren oder verwirren können. Um die Nebenkeulen zu reduzieren, kann man bestimmte Codes oder Wellenformen mit niedrigen Nebenkeulenpegeln verwenden, wie z. B. Hamming- oder Hanning-Fenster, oder Gewichtungsfunktionen auf den Ausgang anwenden. Die Pulskompression erfordert auch eine hohe Bandbreite, die durch die Verwendung bestimmter Codes oder Wellenformen mit schmalen Bandbreiten, wie z. B. Barker-Codes oder Mehrphasencodes, oder durch die Verwendung von Frequenzsprung- oder Spread-Spectrum-Techniken begrenzt werden kann. Darüber hinaus erhöht die Pulskompression die Komplexität und die Kosten des Radarsystems, da es eine ausgeklügelte Hard- und Software benötigt, um die Impulse zu erzeugen, zu modulieren, zu senden, zu empfangen, zu filtern und zu verarbeiten. Komplexität und Kosten können jedoch durch die Verwendung einfacher Codes oder Wellenformen reduziert werden, die leicht zu erzeugen und anzupassen sind, wie z. B. Chirps oder PSKs, oder durch die Verwendung digitaler Signalverarbeitung (DSP) oder feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) , um die Pulskompressionsfunktionen zu implementieren.
Despite its benefits, pulse compression also presents several challenges. One significant issue is the complexity of the signal processing required. Implementing the necessary algorithms for modulation, matched filtering, and pulse compression demands sophisticated hardware and software. This complexity can increase the cost and development time of radar systems. Moreover, the processing needs to be performed rapidly and accurately to ensure real-time operation, adding to the technical demands. Another challenge is managing the potential for range sidelobes, which are artifacts of the pulse compression process. These sidelobes can create spurious signals that may be mistaken for real targets, potentially leading to false detections.
Pulskompressionsradare können in zwei Haupttypen eingeteilt werden, je nachdem, wie sie die Impulse modulieren und filtern. Analoge Pulskompressionsradare verwenden analoge Geräte und Schaltungen, wie z. B. einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und eine akustische Oberflächenwelle (SÄGE) Vorrichtung, um die Impulse zu modulieren und zu filtern. Diese Systeme sind einfach und schnell, haben aber eine begrenzte Flexibilität und Genauigkeit. Digitale Pulskompressionsradare hingegen verwenden digitale Geräte und Algorithmen wie einen direkten digitalen Synthesizer (.DDS) und ein digitaler Korrelator zur Modulation und Filterung der Impulse. Diese Systeme sind flexibler und genauer, haben aber einen höheren Stromverbrauch und eine höhere Latenz.
There are several types of pulse compression radars, each utilizing different modulation techniques. One common type is the linear frequency modulated (LFM) radar, also known as a chirp radar. In this system, the frequency of the transmitted pulse increases or decreases linearly over time. The received echo is then processed to compress the pulse and extract high-resolution range information. Chirp radars are widely used due to their simplicity and effectiveness in various applications. Another type is phase-coded radar, which uses phase modulation to encode the transmitted pulse. Binary phase-shift keying (BPSK) is a typical example, where the phase of the pulse is shifted according to a predetermined code.
Pulskompressionsradare werden in vielen Anwendungen und Bereichen eingesetzt, z. B. als luftgestütztes Radar für Navigation, Überwachung, Wetter oder Bildgebung. Zum Beispiel das Radar mit synthetischer Apertur (SAR) Verwendet Pulskompression, um hochauflösende Bilder des Bodens oder der Meeresoberfläche zu erstellen. Bodengestützte Radargeräte werden an Land oder auf See installiert und zur Flugsicherung, Raketenabwehr oder Küstenüberwachung eingesetzt. Ein Beispiel ist das Phased-Array-Radar (PAR), die Pulskompression verwendet, um den Strahl elektronisch zu lenken und mehrere Ziele gleichzeitig abzutasten. Kfz-Radare werden zur Kollisionsvermeidung, zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung oder zur Einparkhilfe in Fahrzeuge integriert. Die frequenzmodulierte Dauerwelle (FMCW) Radar verwendet Pulskompression, um die Reichweite und Geschwindigkeit von Hindernissen oder anderen Fahrzeugen zu messen.
Pulse compression radars are used in a variety of applications across different fields. One prominent example is the AN/APG-77 radar used in the F-22 Raptor fighter aircraft. This radar system employs pulse compression to achieve high-resolution imaging and long-range target detection, crucial for air superiority missions. The advanced signal processing capabilities of pulse compression enable the radar to operate effectively in complex and contested environments. Another example is the Sentinel radar system, which is used for ground-based air defense. The Sentinel radar utilizes pulse compression to detect, track, and identify airborne targets, including drones, helicopters, and fixed-wing aircraft.
Challenges 1. Implementation Complexity: Requires sophisticated signal processing and computing. 2. Range Sidelobes: Can mask true targets; mitigation requires additional processing. 3. Doppler Sensitivity: Some techniques are sensitive to moving targets, potentially affecting accuracy. 4. Hardware Demands: Needs advanced, costly hardware for complex computations. 5. Interference Management: Susceptibility to interference from wideband systems necessitates careful design. Pulse compression significantly boosts radar capabilities but demands attention to design and operational issues like sidelobe suppression and Doppler effect management.