Introducción
El uso de pulsos de RF para detectar objetos en tres dimensiones comenzó a principios del siglo XX. Las aplicaciones iniciales se centraron en los requisitos militares, específicamente en la detección de barcos y aeronaves. Hoy en día, el radar se utiliza en una amplia gama de aplicaciones militares, comerciales y de investigación, incluido el seguimiento de aeronaves, el control del clima y la detección de la velocidad de cualquier cosa, desde una pelota de tenis hasta un automóvil. El principio básico del radar permanece sin cambios, con una breve ráfaga de energía de RF que se transmite y luego un receptor esperando para detectar cualquier parte de esa energía que haya rebotado desde un objeto distante.
Una vez instalados, se espera que muchos radares funcionen ininterrumpidamente durante décadas de servicio. Para asegurarse de que su desempeño no se degrade con el tiempo, es necesario medir sus métricas clave de desempeño a intervalos regulares. Una de las áreas principales de desempeño que se monitorea son las características de los pulsos de RF transmitidos. El IEEE ha publicado especificaciones sobre cómo deben medirse los parámetros críticos de los pulsos, “IEEE Std 181-2011, estándar para transiciones, pulsos y formas de onda relacionadas”. Este estándar especifica con precisión qué parámetros deben medirse y cómo deben calcularse esas mediciones.
El analizador de pulsos Field Master Pro MS2090A con opción 0421 muestra las características de pulso completas y proporciona resultados numéricos detallados para todos los parámetros de radar comunes. Esta nota de aplicación destaca su uso en mediciones de campo de radares de vigilancia de aeropuertos y radares meteorológicos.
Radar de vigilancia del aeropuerto
En 1998, la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) introdujo un nuevo radar de vigilancia de aeropuertos llamado ASR-11 que rastrea el movimiento de las aeronaves y, además, proporciona información meteorológica. Ahora hay más de 400 de estos radares desplegados en los EE. UU.
| Radar de vigilancia aeroportuaria ASR-11 | |
| Fabricante | Raytheon |
| Frecuencia | 2.7 2.9 a GHz |
| Gama de Colores | 60 Millas (~ 97 km) |
| La punta del Poder | 25 kW |
| Ancho de pulso | 1 µs a 80 µs |
| Frecuencia de repetición de pulsos | ~ 1 ms |
| Tasa de rotación | 12.5 RPM |
La alta potencia máxima de estos radares hace que sean muy fáciles de detectar millas desde su ubicación. Por ejemplo, el radar de la FAA que cubre el Área de la Bahía de San Francisco está ubicado en el extremo sur de la bahía como se ve en la figura 1 del mapa.
Este radar específico transmite a 2.875 GHz. Al montar una antena de guía de ondas de 2 a 4 GHz en un trípode a una distancia de alrededor de 50 kilómetros, los pulsos del radar son fácilmente detectables (figura 3).
Debido a la rotación de la antena del radar, los pulsos solo se dirigen al analizador receptor aproximadamente cada 5 segundos como se ve en la figura 4.
La Figura 5 muestra que debido a la corta duración de los pulsos y la rotación de la antena transmisora, un analizador de espectro en modo de barrido de frecuencia no captura la señal, incluso con la retención máxima de traza aplicada.
Al cambiar el modo de analizador para ver la señal con el RTSA, se puede ver que la señal del radar siempre se captura (figura 6). El RTSA muestra continuamente la potencia del pulso del radar que parece subir y bajar cuando la antena giratoria apunta hacia la antena de bocina de guía de ondas conectada al Field Master Pro MS2090A y luego gira alejándose de ella. Esto tiene el efecto de mostrar una densidad de espectro de potencia que parece "respirar". El uso de una traza de retención máxima proporciona una buena indicación del nivel de señal actual en relación con la condición máxima (figura 7).
Para ver los pulsos en el dominio del tiempo, el analizador de espectro se pone en modo de intervalo cero. Esto fija la frecuencia de la entrada del analizador y muestra la potencia en función del tiempo en la pantalla. Inicialmente, es interesante establecer un intervalo de tiempo largo para que se puedan ver los pulsos del transmisor de radar. La Figura 8 muestra los grupos de pulsos mostrados con un ciclo de trabajo nominal de 5 segundos a medida que gira el transmisor de radar. En este caso, cada una de las ráfagas de energía de RF contiene muchos pulsos individuales de 1 µs.
Aunque las mediciones de los pulsos se pueden realizar en el modo de intervalo cero colocando marcadores en la traza, esto no tiene la precisión ni la trazabilidad de medición que proporciona el analizador de pulsos de la opción 0421.
La activación de la opción de analizador de pulsos proporciona mediciones de pulsos y flujos de pulsos en total conformidad con el estándar IEEE. Para las mediciones de frecuencia de repetición de pulsos, ciclo de trabajo y tiempo de inactividad, se deben capturar y mostrar al menos dos pulsos; por lo general, es mejor capturar más (figura 11). Según el tren de pulsos y las características individuales de los pulsos, es posible que no sea posible realizar todas las mediciones, como el tiempo de subida, en el mismo intervalo.
Configure el nivel de disparo de video y el retardo previo al disparo para mostrar un flujo estable de pulsos en la pantalla del instrumento. La opción del analizador de pulsos completa automáticamente todas las mediciones que se pueden realizar en los datos capturados, no se requiere ninguna configuración adicional.
Reduzca el tiempo de barrido para mostrar un solo pulso. Las líneas de marcador verticales se colocan automáticamente en los puntos de potencia lineal del 10% y el 90% para los bordes ascendentes y descendentes, así como los marcadores horizontales para el nivel de referencia del 50% utilizado para medir la duración del pulso. Los valores de los valores predeterminados de IEEE se pueden anular manualmente si es necesario. (Los detalles de la medición IEEE se pueden encontrar en el apéndice).
La Figura 13 muestra un modo de vista de pantalla completa que está disponible para una vista más detallada de un solo pulso.
Con la opción de analizador de pulsos Field Master Pro MS2090A, las mediciones de campo de los radares de vigilancia de aeropuertos se pueden completar de forma precisa y rápida sin interrumpir el funcionamiento.
Radar meteorológico
Otra aplicación común del radar es monitorear las condiciones climáticas, incluidas las lluvias, tormentas y nieve. Los radares meteorológicos pueden estar basados en tierra para rastrear activamente las lluvias y tormentas o basados en satélites para un monitoreo de áreas más amplias. En los EE. UU., El centro meteorológico nacional opera una red de más de 150 radares meteorológicos terrestres. Conocido como el sistema de radar meteorológico de próxima generación (NEXRAD), los primeros radares se implementaron y operaron en la década de 1990 y el sistema se está mejorando continuamente.
| Radar meteorológico nacional WSR-88D | |
| Contratista principal | Unisys |
| Frecuencia | 2.7 3.0 a GHz |
| Gama de Colores | 90 a 150 millas (~ 145 a 240 km) |
| La punta del Poder | 700 kW |
| Ancho de pulso | ~ 1 µs a 5 µs |
| Frecuencia de repetición de pulsos | ~ 1 ms |
| Tasa de rotación | 3 RPM |
Las características del radar meteorológico son similares a los radares de vigilancia de los aeropuertos. Ambos utilizan la misma banda de frecuencia y pulsos de alta potencia. La planificación de frecuencias es importante para garantizar que no haya interferencias entre las tecnologías. El radar meteorológico que cubre el área de la bahía de San Francisco se encuentra en el monte Umunhum, a unas 20 millas al sur de San José.
El radar meteorológico Mount Umunhum transmite a 2.745 GHz y la antena gira aproximadamente 3 veces por minuto (figura 15). El tren de pulsos varía según las condiciones del momento. La lluvia densa reflejará más potencia y reducirá el alcance.
La configuración de prueba para este radar es similar a la descrita anteriormente para el radar de vigilancia del aeropuerto. Una antena de bocina de guía de ondas conectada al Field Master Pro MS2090A y apuntada en la dirección del radar permite realizar mediciones a muchas millas de la ubicación del radar.
El análisis de los trenes de pulsos en el modo de intervalo cero destaca el cambio en la frecuencia de repetición de pulsos que utiliza el radar en diferentes modos para analizar los cambios en las condiciones atmosféricas. La Figura 16 muestra la diferencia en dos vistas capturadas separadas
La opción del analizador de pulsos proporciona de nuevo un análisis rápido y detallado del tren de pulsos y las características individuales de los pulsos que se pueden ver en la figura 17.
Resumen
La opción de analizador de pulsos Field Master Pro MS2090A proporciona una potente solución de prueba para medir señales de radar pulsadas en el campo. El amplio ancho de banda de medición admite mediciones de tiempo de subida de hasta 30 ns. Junto con las mediciones de pulso que cumplen con IEEE, las pruebas de rutina de los radares para aplicaciones de mantenimiento o solución de problemas son posibles de una manera que antes estaba restringida al laboratorio y se puede realizar en el campo.
Apéndice: Resumen de las mediciones de pulso admitidas
Medidas de pulso
Encontrar los niveles de referencia alto / bajo mediante el algoritmo de histograma
Cuando el tipo de nivel de pulso se establece en AUTO, se usa un método de algoritmo de histograma para determinar los niveles de estado alto y bajo como se describe en el Estándar IEEE para pulsos, transiciones y formas de onda relacionadas (181-2011), Sección 5.2.1. Los datos de la traza se toman como entrada y las amplitudes se operan en términos de unidades de dBm. Los datos de seguimiento se convierten en un histograma donde el número de contenedores se determina mediante un ancho de contenedor fijo de 0.01 en todo el rango total de valores en los datos de seguimiento (máximo de seguimiento a mínimo de seguimiento). En otras palabras, la amplitud de cada punto de seguimiento da como resultado un "recuento" incrementado en el intervalo de histograma que corresponde al rango de amplitud en el que cae esa amplitud. Para encontrar los niveles de estado alto y bajo, el histograma resultante se divide en un histograma "superior" e "inferior" donde el primero consta de todos los contenedores que corresponden al rango superior del 50% de amplitudes y el segundo, el 50% inferior. distancia. Entonces se determina que el estado alto es el modo del histograma superior, es decir, la amplitud correspondiente al intervalo de histograma con el recuento más alto. De manera similar, se determina que el estado bajo es el modo del histograma inferior.
Si el recuento de cualquiera de los modos no es mayor que al menos el 1% del número total de puntos en la entrada de datos de seguimiento, entonces el histograma se vuelve a crear utilizando un ancho de intervalo que es diez veces mayor. Este proceso de regeneración del histograma con un ancho de intervalo mayor se repite hasta que el modo del histograma es al menos el 1% del número total de puntos. Esto significa que la mejor resolución de caso del estado alto y bajo resultante es 0.01 dBm (el ancho del bin inicial) y, dependiendo de cuánto fluctúen los niveles de estado, la resolución puede volver a caer a 0.1 dBm, 1 dBm, etc. .
Cuando el tipo de nivel de pulso se establece en USER, el usuario determina los niveles de estado alto y bajo e ingresa el nivel usando los ajustes USER TOP (S2) y USER BOTTOM (S1).
Encontrar los instantes del nivel de referencia
Los instantes son un valor de tiempo específico dentro de una duración de tiempo de forma de onda. Por lo general, se hace referencia a ellos en relación con el instante inicial de la forma de onda. Las siguientes secciones describen cómo se determinan las mediciones de pulso.
Encontrar las transiciones
Las transiciones son regiones contiguas de una forma de onda que conectan, ya sea directamente o mediante transitorios intermedios, dos ocurrencias de estado que son consecutivas en el tiempo pero que son ocurrencias de diferentes estados. Para encontrar la transición, comience con una lista filtrada de instantes de nivel de referencia que contienen solo aquellos que cruzan los niveles de referencia bajo o alto. Cada instante de nivel de referencia en la lista tiene un índice y una dirección correspondientes (por ejemplo, el índice de traza inmediatamente antes de la amplitud que cruza el nivel de referencia, y la dirección que indica si la traza cruza desde arriba hacia abajo del nivel de referencia o viceversa).
Esta lista filtrada de instantes se ordena en orden ascendente de índice. Luego, todas las transiciones positivas y negativas (entre los niveles de referencia alto / bajo) se encuentran buscando instantes consecutivos en la lista filtrada que ambos tengan la misma dirección. Se define que la forma de onda está en el "estado alto" si excede el nivel de referencia del 90% y en el "estado bajo" si cae por debajo del nivel de referencia del 10%. Esta es la alternativa elegida en lugar de utilizar los límites superior / inferior del estado (que el estándar IEEE dice que es opcional).
Encontrar la duración y el período del pulso
La duración del pulso se determina usando las transiciones positiva y negativa como se describe arriba para verificar si es un pulso válido. Si es así, se verifica que exista cualquier nivel de referencia de duración de pulso (50%) dentro de la transición positiva / negativa. Este nivel de referencia determina el período inicial y final del pulso. La duración es solo la diferencia entre el punto final y el punto inicial. El período de pulso también determina primero que tenemos un pulso válido de las transiciones positiva y negativa. A diferencia de la medición de la duración del pulso, el período del pulso debe tener la repetición del pulso, o un tren de pulsos, para tener una medición. Debe haber al menos 3 transiciones en el nivel de referencia del 50% para producir una medición válida. El período es la distancia entre el nivel inicial del primer pulso y el nivel inicial del segundo pulso.
Encontrar el promedio de onda
El promedio de onda se determina promediando los niveles de potencia de todos los puntos dentro de todos los períodos completos que están disponibles en la traza. Para determinar dónde comenzar y detenerse, el número de transiciones se usa para determinar si hay al menos un período completo. El sistema devuelve "nan" si no hay un período completo. De lo contrario, el punto de partida para esta medición es el comienzo de la primera transición y el punto final es el comienzo de la transición del último período completo.
Por ejemplo, una traza con seis transiciones tiene cierta cantidad de puntos antes de la primera transición seguida de dos períodos completos, luego seguidos de menos de un período completo. Una vez que se han encontrado el inicio y el final de todos los períodos completos, todos los puntos entre ellos se suman y se dividen por el número total de puntos utilizados en la medición.
Encontrar el promedio de seguimiento
El promedio de la traza es el promedio exponencial de todos los puntos de la traza. A diferencia del promedio de onda, no está limitado a pulsos completos.
Encontrar el pulso promedio
El promedio de pulso es el promedio de los puntos en el estado alto del pulso (típicamente aquellos puntos por encima de la línea de referencia del 90%). Esto solo se aplica a los pulsos positivos. Si no hay pulso positivo, no se devuelve ninguna medición.
Encontrar el centro de pulso instantáneo y la frecuencia de repetición
La frecuencia de repetición de pulso se determina a partir de la inversa del período de pulso (1 / período de pulso) como valor de frecuencia. El instante del centro del pulso se determina tomando el tiempo de inicio de la duración del pulso (50%) y sumando el punto medio de la duración del pulso, que es la mitad de la duración del pulso (duración del pulso / 2).
Encontrar el pico del pulso
El pico de pulso es el valor máximo en una forma de onda después de una transición positiva. Si no hay una transición positiva, se devuelve la amplitud máxima de la forma de onda general.
Encontrar la inclinación del pulso
La inclinación del pulso mide la distorsión de un estado de forma de onda donde la pendiente general del estado es esencialmente constante y diferente de cero. La pendiente puede ser de cualquier polaridad y se calcula para pulsos positivos o negativos. Se necesita un pulso completo (con al menos dos transiciones) para garantizar que haya un estado de forma de onda para el que se pueda medir la inclinación. Si hay suficientes datos de seguimiento dentro del estado de la forma de onda, se elimina el primer y el último 25% de las muestras en las que es más probable que se produzca una distorsión excesiva. La pendiente del 50% restante de los datos de la traza del estado se calcula utilizando el método de mínimos cuadrados y la inclinación se calcula multiplicando la pendiente por el número de puntos de la traza en el estado.
Encontrar la amplitud de onda
La amplitud de onda se encuentra restando la amplitud del nivel de estado inferior de la amplitud del nivel de estado superior en unidades de dB.
Hallar el promedio de pico a onda
El promedio de pico a onda se calcula restando el promedio de onda del pico de pulso en términos de dB. Esto requiere que el promedio de onda tenga un valor válido, por lo que debe haber al menos un período completo para un multiplataforma.
Encontrar la región de aberraciones previas y posteriores a la transición
Se determina que la región de aberración previa a la transición es la región de la traza antes del último cruce de estado antes de la primera transición, y con una anchura igual a tres veces la duración de la primera transición. Está delimitado por los datos de seguimiento disponibles antes de la transición. La región de aberración posterior a la transición es la región que comienza en el primer estado que cruza después de la primera transición y termina en tres veces la duración de la transición o al comienzo de la siguiente transición, lo que ocurra primero.
Encontrar la región de aberraciones previas y posteriores a la transición
Se determina que la región de aberración previa a la transición es la región de la traza antes del último cruce de estado antes de la primera transición, y con una anchura igual a tres veces la duración de la primera transición. Está delimitado por los datos de seguimiento disponibles antes de la transición. La región de aberración posterior a la transición es la región que comienza en el primer estado que cruza después de la primera transición y termina en tres veces la duración de la transición o al comienzo de la siguiente transición, lo que ocurra primero.
Encontrar el sobreimpulso y el subimpulso de cada región de aberraciones
El sobreimpulso y el subimpulso de cada región se calculan tomando la diferencia entre el valor de traza máximo y mínimo de cada región de aberración y el nivel del estado local. El nivel del estado local está (Bajo = pre-transición → Alto = post-transición) en una transición positiva, y (Alto = pre-transición → Bajo = post-transición) en una transición negativa
