Introduction
L'utilisation d'impulsions RF pour détecter des objets en trois dimensions a commencé au début des années 1900. Les premières applications se sont concentrées sur les besoins militaires, en particulier la détection de navires et d'avions. Aujourd'hui, le radar est utilisé dans un large éventail d'applications militaires, commerciales et de recherche, notamment le suivi des avions, la surveillance des conditions météorologiques et la détection de la vitesse de tout, d'une balle de tennis à une voiture. Le principe de base du radar reste inchangé, avec une courte rafale d'énergie RF, puis un récepteur attendant de détecter toute cette énergie qui a rebondi d'un objet distant.
Une fois installés, de nombreux radars devraient fonctionner sans interruption pendant des décennies de service. Pour s'assurer que leurs performances ne se dégradent pas dans le temps, il est nécessaire de mesurer leurs indicateurs de performance clés à intervalles réguliers. L'un des principaux domaines de performance qui est surveillé est les caractéristiques des impulsions RF transmises. L'IEEE a publié des spécifications sur la façon dont les paramètres critiques des impulsions doivent être mesurés, "IEEE Std 181-2011, Standard for Transitions, Pulses and Related Waveforms". Cette norme spécifie précisément quels paramètres doivent être mesurés et comment ces mesures doivent être calculées.
L'analyseur d'impulsions Field Master Pro MS2090A avec l'option 0421 affiche les caractéristiques d'impulsions complètes et fournit des résultats numériques détaillés pour tous les paramètres radar courants. Cette note d'application met en évidence son utilisation dans les mesures sur le terrain du radar de surveillance d'aéroport et du radar météorologique.
Radar de surveillance d'aéroport
En 1998, la Federal Aviation Administration (FAA) des États-Unis a introduit un nouveau radar de surveillance d'aéroport appelé ASR-11 qui suit les mouvements des aéronefs et fournit en outre des informations météorologiques. Il y a maintenant plus de 400 de ces radars déployés à travers les États-Unis.
| Radar de surveillance d'aéroport ASR-11 | |
| Fabricants | Raytheon |
| La fréquence | 2.7 à 2.9 GHz |
| Catégorie | 60 milles (~97 km) |
| Puissance maximale | 25kW |
| Largeur d'impulsion | 1 µs à 80 µs |
| Fréquence de répétition des impulsions | ~ 1 ms |
| Taux de rotation | 12.5 TPM |
La puissance de crête élevée de ces radars les rend très faciles à détecter à des kilomètres de leur emplacement. Par exemple, le radar de la FAA couvrant la région de la baie de San Francisco est situé à l'extrémité sud de la baie comme le montre la carte figure 1.
Ce radar spécifique émet à 2.875 GHz. En montant une antenne guide d'onde de 2 à 4 GHz sur un trépied à une distance d'environ 50 kilomètres, les impulsions radar sont facilement détectables (figure 3).
En raison de la rotation de l'antenne radar, les impulsions ne sont dirigées vers l'analyseur de réception qu'environ toutes les 5 secondes, comme le montre la figure 4.
La figure 5 montre qu'en raison de la courte durée des impulsions et de la rotation de l'antenne d'émission, un analyseur de spectre en mode balayage de fréquence ne capture pas le signal, même avec un maintien maximum de trace appliqué.
En commutant le mode analyseur pour visualiser le signal avec le RTSA, on peut voir que le signal radar est toujours capté (figure 6). Le RTSA affiche en continu la puissance d'impulsion radar qui semble augmenter et diminuer lorsque l'antenne rotative pointe vers l'antenne cornet guide d'ondes connectée au Field Master Pro MS2090A, puis s'éloigne de celle-ci. Cela a pour effet d'afficher une densité de spectre de puissance qui semble « respirer ». L'utilisation d'une trace de maintien maximum fournit une bonne indication du niveau de signal actuel par rapport à la condition maximum (figure 7).
Pour visualiser les impulsions dans le domaine temporel, l'analyseur de spectre est mis en mode plage zéro. Cela fixe la fréquence de l'entrée de l'analyseur et affiche la puissance en fonction du temps sur l'écran. Dans un premier temps, il est intéressant de définir un laps de temps long pour que les impulsions de l'émetteur radar puissent être vues. La figure 8 montre les groupes d'impulsions affichés avec un cycle de service nominal de 5 secondes lorsque l'émetteur radar tourne. Dans ce cas, chacune des rafales d'énergie RF contient de nombreuses impulsions individuelles de 1 µs.
Bien que les mesures sur les impulsions puissent être effectuées en mode étendue zéro en positionnant des marqueurs sur la trace, celle-ci n'a pas la précision ou la traçabilité des mesures fournies par l'analyseur d'impulsions de l'option 0421.
L'activation de l'option analyseur d'impulsions fournit des mesures sur les impulsions et les flux d'impulsions en totale conformité avec la norme IEEE. Pour les mesures de la fréquence de répétition des impulsions, du cycle de service et du temps d'arrêt, au moins deux impulsions doivent être capturées et affichées, il est généralement préférable d'en capturer davantage (figure 11). Selon le train d'impulsions et les caractéristiques d'impulsion individuelles, il peut ne pas être possible d'effectuer toutes les mesures telles que le temps de montée dans le même intervalle.
Réglez le niveau de déclenchement vidéo et le délai de pré-déclenchement pour afficher un flux stable d'impulsions sur l'écran de l'instrument. L'option analyseur de pouls remplit automatiquement toutes les mesures pouvant être effectuées sur les données capturées, aucune configuration supplémentaire n'est requise.
Réduisez le temps de balayage pour afficher une seule impulsion. Des lignes de repère verticales sont automatiquement placées sur les points de puissance linéaire à 10 % et 90 % pour les fronts montants et descendants, ainsi que des repères horizontaux pour le niveau de référence de 50 % utilisé pour mesurer la durée d'impulsion. Les valeurs par défaut IEEE peuvent être remplacées manuellement si nécessaire. (Les détails de la mesure IEEE peuvent être trouvés dans l'annexe.)
La figure 13 montre qu'un mode d'affichage plein écran est disponible pour une vue plus détaillée d'une seule impulsion.
Avec l'option d'analyseur d'impulsions Field Master Pro MS2090A, les mesures sur le terrain des radars de surveillance des aéroports peuvent être effectuées avec précision et rapidité sans interrompre le fonctionnement.
Radar météo
Une autre application courante du radar consiste à surveiller les conditions météorologiques, notamment les précipitations, les tempêtes et la neige. Les radars météorologiques peuvent être basés au sol pour suivre activement les précipitations et les tempêtes ou basés sur des satellites pour une surveillance plus étendue. Aux États-Unis, un réseau de plus de 150 radars météorologiques au sol est exploité par le centre météorologique national. Connu sous le nom de système de radar météorologique de nouvelle génération (NEXRAD), les premiers radars ont été déployés et exploités dans les années 1990 et le système est en constante amélioration.
| Radar météorologique national WSR-88D | |
| Entrepreneur principal | Unisys |
| La fréquence | 2.7 à 3.0 GHz |
| Catégorie | 90 à 150 milles (~145 à 240 km) |
| Puissance maximale | 700kW |
| Largeur d'impulsion | ~ 1 µs à 5 µs |
| Fréquence de répétition des impulsions | ~ 1 ms |
| Taux de rotation | 3 TPM |
Les caractéristiques des radars météorologiques sont similaires à celles des radars de surveillance d'aéroport. Les deux utilisent la même bande de fréquence et des impulsions de haute puissance. La planification des fréquences est importante pour s'assurer qu'il n'y a pas d'interférence entre les technologies. Le radar météorologique qui couvre la région de la baie de San Francisco est situé sur le mont Umunhum à environ 20 miles au sud de San Jose.
Le radar météorologique du mont Umunhum émet à 2.745 GHz et l'antenne tourne environ 3 fois par minute (figure 15). Le train d'impulsions varie en fonction des conditions du moment. Une pluie dense reflétera plus de puissance et réduira la portée.
Le test mis en place pour ce radar est similaire à celui décrit précédemment pour le radar de surveillance d'aéroport. Une antenne cornet guide d'ondes connectée au Field Master Pro MS2090A et pointée dans la direction du radar permet d'effectuer des mesures à plusieurs kilomètres de l'emplacement du radar.
L'analyse des trains d'impulsions en mode de portée nulle met en évidence le changement de fréquence de répétition des impulsions utilisé par le radar dans différents modes pour analyser les changements des conditions atmosphériques. La figure 16 montre la différence entre deux vues capturées distinctes
L'option analyseur d'impulsions fournit à nouveau une analyse rapide et détaillée du train d'impulsions et des caractéristiques d'impulsion individuelles qui peuvent être vues dans la figure 17.
Résumé
L'option d'analyseur d'impulsions Field Master Pro MS2090A fournit une solution de test puissante pour mesurer les signaux radar pulsés sur le terrain. La large bande passante de mesure prend en charge les mesures de temps de montée aussi rapides que 30 ns. Couplé à des mesures d'impulsions conformes à la norme IEEE, les tests de routine des radars pour les applications de maintenance ou de dépannage sont possibles d'une manière qui était auparavant limitée au laboratoire et peut être effectuée sur le terrain.
Annexe : Résumé des mesures de pouls prises en charge
Mesures de pouls
Recherche des niveaux de référence haut/bas à l'aide de l'algorithme d'histogramme
Lorsque le type de niveau d'impulsion est défini sur AUTO, une méthode d'algorithme d'histogramme est utilisée pour déterminer les niveaux d'état haut et bas comme décrit dans la norme IEEE pour les impulsions, les transitions et les formes d'onde associées (181-2011), section 5.2.1. Les données de trace sont prises en entrée et les amplitudes sont exploitées en termes d'unités dBm. Les données de trace sont converties en un histogramme où le nombre de cases est déterminé par une largeur de case fixe de 0.01 sur la plage totale de valeurs dans les données de trace (trace max à trace min). En d'autres termes, chaque amplitude de point de trace entraîne un « compte » incrémenté dans le bac d'histogramme qui correspond à la plage d'amplitude dans laquelle se situe cette amplitude. Pour trouver les niveaux d'état haut et bas, l'histogramme résultant est divisé en un histogramme « supérieur » et « inférieur » où le premier se compose de tous les bacs qui correspondent à la plage d'amplitudes supérieure de 50 %, et le second aux 50 % inférieur intervalle. Ensuite, l'état haut est déterminé comme étant le mode de l'histogramme supérieur, c'est-à-dire l'amplitude correspondant à la case d'histogramme avec le compte le plus élevé. L'état bas est également déterminé comme étant le mode de l'histogramme inférieur.
Si le nombre de l'un ou l'autre mode n'est pas supérieur à au moins 1 % du nombre total de points dans l'entrée de données de trace, l'histogramme est recréé en utilisant une largeur de bac dix fois plus grande. Ce processus de régénération de l'histogramme avec une largeur de bac plus grande est répété jusqu'à ce que le mode de l'histogramme soit d'au moins 1 % du nombre total de points. Cela signifie que la meilleure résolution de cas de l'état haut et de l'état bas résultants est de 0.01 dBm (la largeur du bac de départ), et en fonction de la fluctuation des niveaux d'état, la résolution peut retomber à 0.1 dBm, 1 dBm, etc. .
Lorsque le type de niveau d'impulsion est défini sur USER, l'utilisateur détermine les niveaux d'état haut et bas et entre le niveau à l'aide des paramètres USER TOP (S2) et USER BOTTOM (S1).
Trouver les instants de niveau de référence
Les instants sont une valeur de temps spécifique dans une durée de forme d'onde. Ils sont typiquement référencés par rapport à l'instant initial de la forme d'onde. Les sections suivantes décrivent comment les mesures de pouls sont déterminées
Trouver les transitions
Les transitions sont des régions contiguës d'une forme d'onde qui connectent, soit directement, soit via des transitoires intermédiaires, deux occurrences d'état consécutives dans le temps mais qui sont des occurrences d'états différents. Pour trouver la transition, commencez par une liste filtrée d'instants de niveau de référence qui ne contiennent que ceux qui croisent les niveaux de référence bas ou haut. Chaque instant de niveau de référence dans la liste a un indice et une direction correspondants (par exemple, l'indice de trace juste avant l'amplitude traversant le niveau de référence, et la direction indiquant si la trace passe du dessus au dessous du niveau de référence ou vice versa).
Cette liste filtrée d'instants est triée par ordre d'index croissant. Ensuite, toutes les transitions positives et négatives (entre les niveaux de référence haut/bas) sont trouvées en recherchant des instants consécutifs dans la liste filtrée qui ont tous deux la même direction. La forme d'onde est définie comme étant à « l'état haut » si elle dépasse le niveau de référence de 90 % et à « l'état bas » si elle descend en dessous du niveau de référence de 10 %. C'est l'alternative choisie plutôt que d'utiliser les limites supérieure/inférieure de l'état (ce que la norme IEEE dit être facultative).
Recherche de la durée et de la période d'impulsion
La durée d'impulsion est déterminée en utilisant les transitions positives et négatives décrites ci-dessus pour vérifier s'il s'agit d'une impulsion valide. Si tel est le cas, alors tout niveau de référence de durée d'impulsion (50 %) est vérifié pour exister dans la transition positive/négative. Ce niveau de référence détermine la période de début et de fin de l'impulsion. La durée est juste la différence entre le point d'arrivée et le point de départ. La période d'impulsion détermine également d'abord que nous avons une impulsion valide à partir des transitions positives et négatives. Contrairement à la mesure de la durée d'impulsion, la période d'impulsion doit avoir la répétition d'impulsion, ou un train d'impulsions, pour avoir une mesure. Il doit y avoir au moins 3 transitions dans le niveau de référence de 50 % pour produire une mesure valide. La période est la distance entre le niveau de départ de la première impulsion et le niveau de départ de la deuxième impulsion.
Trouver la moyenne des vagues
La moyenne des vagues est déterminée en faisant la moyenne des niveaux de puissance de tous les points dans toutes les périodes complètes disponibles sur la trace. Pour déterminer où commencer et où s'arrêter, le nombre de transitions est utilisé pour déterminer s'il y a au moins une période complète. Le système renvoie « nan » s'il n'y a pas de période complète. Sinon, le point de départ de cette mesure est le début de la première transition et le point final est le début de la transition de la dernière période complète.
Par exemple, une trace avec six transitions a une certaine quantité de points avant la première transition suivie de deux périodes complètes, puis suivies de moins d'une période complète. Une fois que le début et la fin de toutes les périodes complètes ont été trouvés, tous les points entre eux sont additionnés et divisés par le nombre total de points utilisés dans la mesure.
Trouver la moyenne de trace
La moyenne de la trace est la moyenne exponentielle de tous les points de la trace. Contrairement à la moyenne d'onde, elle n'est pas limitée à des impulsions complètes.
Trouver la moyenne du pouls
La moyenne d'impulsion est la moyenne des points à l'état haut de l'impulsion (généralement les points au-dessus de la ligne de référence à 90 %). Cela ne s'applique qu'aux impulsions positives. S'il n'y a pas d'impulsion positive, aucune mesure n'est renvoyée.
Trouver l'instant du centre d'impulsion et la fréquence de répétition
La fréquence de répétition des impulsions est déterminée à partir de l'inverse de la période d'impulsion (1/période d'impulsion) en tant que valeur de fréquence. L'instant central de l'impulsion est déterminé en prenant l'heure de début de la durée d'impulsion (50 %) et en ajoutant le point médian de la durée d'impulsion, qui est la moitié de la durée d'impulsion (durée d'impulsion/2).
Trouver le pic de pouls
Le pic d'impulsion est la valeur maximale dans une forme d'onde après une transition positive. S'il n'y a pas de transition positive, l'amplitude de crête de la forme d'onde globale est renvoyée.
Trouver l'inclinaison du pouls
L'inclinaison d'impulsion mesure la distorsion d'un état de forme d'onde où la pente globale de l'état est essentiellement constante et différente de zéro. La pente peut être de l'une ou l'autre polarité et est calculée pour des impulsions négatives ou positives. Une impulsion complète (avec au moins deux transitions) est nécessaire pour s'assurer qu'il existe un état de forme d'onde pour lequel l'inclinaison peut être mesurée. S'il y a suffisamment de données de trace dans l'état de la forme d'onde, le premier et le dernier 25 % des échantillons où la distorsion de dépassement est le plus susceptible de se produire sont supprimés. La pente des 50 % restants des données de trace d'état est ensuite calculée à l'aide de la méthode des moindres carrés, et l'inclinaison est calculée en multipliant la pente par le nombre de points de trace dans l'état.
Trouver l'amplitude de l'onde
L'amplitude de l'onde est trouvée en soustrayant l'amplitude du niveau d'état inférieur de l'amplitude du niveau d'état supérieur en unités dB.
Trouver la moyenne crête à vague
La moyenne crête à onde est trouvée en soustrayant la moyenne de l'onde de la crête d'impulsion en termes de dB. Cela nécessite que la moyenne de vague ait une valeur valide, il doit donc y avoir au moins une période complète pour un mesures.
Trouver la région d'aberration avant et après la transition
La région d'aberration de pré-transition est déterminée comme étant la région de la trace avant le passage du dernier état avant la première transition, et avec une largeur égale à trois fois la durée de la première transition. Il est borné par les données de trace disponibles avant la transition. La région d'aberration post-transition est la région commençant au premier état traversant la première transition et se terminant à trois fois la durée de la transition ou au début de la transition suivante, selon la première éventualité.
Trouver la région d'aberration avant et après la transition
La région d'aberration de pré-transition est déterminée comme étant la région de la trace avant le passage du dernier état avant la première transition, et avec une largeur égale à trois fois la durée de la première transition. Il est borné par les données de trace disponibles avant la transition. La région d'aberration post-transition est la région commençant au premier état traversant la première transition et se terminant à trois fois la durée de la transition ou au début de la transition suivante, selon la première éventualité.
Trouver le dépassement et le sous-dépassement de chaque région d'aberration
Le dépassement et le dépassement de chaque région sont calculés en prenant la différence entre la valeur de trace maximale et minimale de chaque région d'aberration et le niveau de l'état local. Niveau d'état local étant (Bas = pré-transition → Haut = post-transition) dans une transition positive, et (Haut = pré-transition → Bas = post-transition) dans une transition négative
