개요
RF 펄스를 사용하여 1900 차원 물체를 감지하는 것은 XNUMX 년대 초에 시작되었습니다. 초기 애플리케이션은 군사 요구 사항, 특히 선박 및 항공기 감지에 중점을 두었습니다. 오늘날 레이더는 항공기 추적, 날씨 모니터링, 테니스 공에서 자동차에 이르는 모든 속도 감지를 포함한 광범위한 군사, 상업 및 연구 응용 분야에서 사용됩니다. 레이더의 기본 원리는 변경되지 않고 RF 에너지의 짧은 버스트가 전송되고 수신기가 먼 물체에서 반사 된 에너지를 감지하기 위해 대기합니다.
일단 설치되면 많은 레이더가 수십 년 동안 중단없이 작동 할 것으로 예상됩니다. 시간이 지남에 따라 성능이 저하되지 않도록하려면 정기적으로 주요 성능 메트릭을 측정해야합니다. 모니터링되는 주요 성능 영역 중 하나는 전송 된 RF 펄스의 특성입니다. IEEE는 펄스의 중요 매개 변수를 측정하는 방법에 대한 사양을 발표했습니다.“IEEE Std 181-2011, Standard for Transitions, Pulses and Related Waveforms”. 이 표준은 측정해야 할 매개 변수와 이러한 측정을 계산하는 방법을 정확하게 지정합니다.
옵션 2090 펄스 분석기가있는 Field Master Pro MS0421A는 전체 펄스 특성을 표시하고 모든 일반 레이더 매개 변수에 대한 자세한 수치 결과를 제공합니다. 이 애플리케이션 노트는 공항 감시 레이더 및 기상 레이더의 현장 측정에서의 사용을 강조합니다.
공항 감시 레이더
1998 년 미국 연방 항공국 (FAA)은 항공기 움직임을 추적하고 추가로 날씨 정보를 제공하는 ASR-11이라는 새로운 공항 감시 레이더를 도입했습니다. 현재 미국 전역에이 레이더가 400 개 이상 배치되어 있습니다.
| ASR-11 공항 감시 레이더 | |
| 제조업 자 | Raytheon |
| 진동수 | 2.7 ~ 2.9GHz |
| 범위 | 60 마일 (~ 97km) |
| 피크 파워 | 25kW |
| 펄스 폭 | 1µs ~ 80µs |
| 펄스 반복 주파수 | ~ 1 밀리 초 |
| 회전율 | 12.5 RPM |
이 레이더의 높은 피크 전력은 위치에서 수 마일을 감지하기가 매우 쉽습니다. 예를 들어, 샌프란시스코 베이 지역을 덮고있는 FAA 레이더는지도 그림 1과 같이 베이의 남쪽 끝에 있습니다.
이 특정 레이더는 2.875GHz로 전송합니다. 약 2km 떨어진 삼각대에 4 ~ 50GHz 도파관 안테나를 장착하면 레이더 펄스를 쉽게 감지 할 수 있습니다 (그림 3).
레이더 안테나의 회전으로 인해 펄스는 그림 5와 같이 약 4 초마다 수신 분석기로만 전달됩니다.
그림 5는 펄스의 짧은 지속 시간과 송신 안테나의 회전으로 인해 주파수 스위프 모드의 스펙트럼 분석기가 트레이스 최대 홀드가 적용된 경우에도 신호를 캡처하지 않음을 보여줍니다.
RTSA로 신호를보기 위해 분석기 모드를 전환하면 레이더 신호가 항상 캡처되는 것을 볼 수 있습니다 (그림 6). RTSA는 회전하는 안테나가 Field Master Pro MS2090A에 연결된 도파관 혼 안테나를 향한 다음 멀리 회전함에 따라 상승 및 하강하는 것처럼 보이는 레이더 펄스 전력을 지속적으로 표시합니다. 이것은 "호흡"하는 것처럼 보이는 파워 스펙트럼 밀도를 표시하는 효과가 있습니다. 최대 홀드 트레이스를 사용하면 최대 조건과 관련된 현재 신호 레벨을 잘 알 수 있습니다 (그림 7).
시간 도메인에서 펄스를보기 위해 스펙트럼 분석기는 제로 스팬 모드로 전환됩니다. 이것은 분석기 입력의 주파수를 고정하고 디스플레이에 시간에 대한 전력을 표시합니다. 처음에는 레이더 송신기 펄스를 볼 수 있도록 긴 시간 범위를 설정하는 것이 흥미 롭습니다. 그림 8은 레이더 송신기가 회전 할 때 명목상 5 초 듀티 사이클로 표시된 펄스 그룹을 보여줍니다. 이 경우 각 RF 에너지 버스트에는 많은 개별 1µs 펄스가 포함됩니다.
펄스에 대한 측정은 트레이스에 마커를 배치하여 제로 스팬 모드에서 수행 할 수 있지만 옵션 0421 펄스 분석기에서 제공하는 정확도 또는 측정 추적 성이 없습니다.
펄스 분석기 옵션을 활성화하면 IEEE 표준을 완전히 준수하는 펄스 및 펄스 스트림에 대한 측정이 제공됩니다. 펄스 반복 주파수, 듀티 사이클 및 꺼짐 시간을 측정하려면 최소 두 개의 펄스를 캡처하고 표시해야합니다. 일반적으로 더 많이 캡처하는 것이 좋습니다 (그림 11). 펄스 트레인 및 개별 펄스 특성에 따라 동일한 범위에서 상승 시간과 같은 모든 측정을 수행하지 못할 수도 있습니다.
비디오 트리거 레벨과 사전 트리거 지연을 설정하여 장비 디스플레이에 안정적인 펄스 스트림을 표시합니다. 펄스 분석기 옵션은 캡처 된 데이터에 대해 수행 할 수있는 모든 측정을 자동으로 채 웁니다. 추가 설정이 필요하지 않습니다.
단일 펄스를 표시하려면 스위프 시간을 줄이십시오. 수직 마커 라인은 상승 및 하강 에지를위한 10 % 및 90 % 선형 파워 포인트와 펄스 지속 시간을 측정하는 데 사용되는 50 % 기준 레벨의 수평 마커에 자동으로 배치됩니다. 필요한 경우 IEEE 기본값 값을 수동으로 재정의 할 수 있습니다. (IEEE 측정에 대한 자세한 내용은 부록에서 확인할 수 있습니다.)
그림 13은 단일 펄스를보다 자세히보기 위해 사용할 수있는 전체 화면보기 모드를 보여줍니다.
Field Master Pro MS2090A 펄스 분석기 옵션을 사용하면 공항 감시 레이더의 현장 측정을 작동을 중단하지 않고 정확하고 빠르게 완료 할 수 있습니다.
기상 레이더
레이더의 또 다른 일반적인 응용 분야는 강우, 폭풍 및 눈을 포함한 기상 조건을 모니터링하는 것입니다. 기상 레이더는 강우와 폭풍을 능동적으로 추적하기 위해 지상 기반을 구축하거나 더 넓은 지역 모니터링을 위해 위성을 기반으로 할 수 있습니다. 미국에서는 150 개 이상의 지상 기반 기상 레이더 네트워크가 국립 기상 센터에서 운영됩니다. 차세대 기상 레이더 (NEXRAD) 시스템으로 알려진 최초의 레이더는 1990 년대에 배치 및 운영되었으며 시스템은 지속적으로 개선되고 있습니다.
| WSR-88D 국립 기상 레이더 | |
| 프라임 계약자 | 유니시스 |
| 진동수 | 2.7 ~ 3.0GHz |
| 범위 | 90 ~ 150 마일 (~ 145 ~ 240km) |
| 피크 파워 | 700kW |
| 펄스 폭 | ~ 1µs ~ 5µs |
| 펄스 반복 주파수 | ~ 1 밀리 초 |
| 회전율 | 3 RPM |
기상 레이더 특성은 공항 감시 레이더와 유사합니다. 둘 다 동일한 주파수 대역과 고전력 펄스를 사용합니다. 주파수 계획은 기술간에 간섭이 없도록하는 데 중요합니다. 샌프란시스코 베이 지역을 덮는 기상 레이더는 산호세에서 남쪽으로 약 20 마일 떨어진 우무 눔 산에 있습니다.
Mount Umunhum 기상 레이더는 2.745GHz로 전송하며 안테나는 분당 약 3 회 회전합니다 (그림 15). 펄스열은 당시의 상황에 따라 다릅니다. 짙은 비는 더 많은 전력을 반사하고 범위를 축소합니다.
이 레이더에 대한 테스트 설정은 이전에 공항 감시 레이더에 대해 설명한 것과 유사합니다. Field Master Pro MS2090A에 연결되고 레이더 방향을 가리키는 도파관 혼 안테나를 사용하면 레이더 위치에서 수 마일 떨어진 곳에서 측정 할 수 있습니다.
제로 스팬 모드에서 펄스 열을 분석하면 다양한 모드에서 레이더가 대기 조건의 변화를 분석하는 데 사용하는 펄스 반복 주파수의 변화를 강조합니다. 그림 16은 두 개의 개별 캡처 뷰의 차이점을 보여줍니다.
펄스 분석기 옵션은 그림 17에서 볼 수있는 펄스 트레인 및 개별 펄스 특성에 대한 빠른 세부 분석을 다시 제공합니다.
요약
Field Master Pro MS2090A 펄스 분석기 옵션은 현장에서 펄스 레이더 신호를 측정하기위한 강력한 테스트 솔루션을 제공합니다. 넓은 측정 대역폭은 30ns의 빠른 상승 시간 측정을 지원합니다. IEEE 준수 펄스 측정과 결합하여, 유지 보수 또는 문제 해결 애플리케이션을위한 레이더의 일상적인 테스트는 이전에 실험실로 제한되었으며 현장에서 수행 할 수있는 방식으로 가능합니다.
부록 : 지원되는 펄스 측정 요약
펄스 측정
히스토그램 알고리즘을 사용하여 고 / 저 기준 레벨 찾기
펄스 레벨 유형이 AUTO로 설정된 경우, 펄스, 전환 및 관련 파형에 대한 IEEE 표준 (181-2011), 섹션 5.2.1에 설명 된대로 히스토그램 알고리즘 방법이 하이 및 로우 상태 레벨을 결정하는 데 사용됩니다. 트레이스 데이터는 입력으로 사용되며 진폭은 dBm 단위로 작동됩니다. 트레이스 데이터는 트레이스 데이터의 전체 값 범위 (트레이스 최대에서 트레이스 최소까지)에 걸쳐 0.01의 고정 된 빈 너비에 의해 빈 수가 결정되는 히스토그램으로 변환됩니다. 즉, 각 트레이스 포인트 진폭은 해당 진폭이 떨어지는 진폭 범위에 해당하는 히스토그램 빈에서 증가 된 "카운트"를 생성합니다. 높은 상태와 낮은 상태 수준을 찾기 위해 결과 히스토그램은 "상위"및 "하위"히스토그램으로 분할되며, 전자는 진폭의 상위 50 % 범위에 해당하는 모든 빈으로 구성되고 후자는 하위 50 %로 구성됩니다. 범위. 그런 다음 하이 상태는 상위 히스토그램의 모드, 즉 가장 높은 카운트를 가진 히스토그램 빈에 해당하는 진폭으로 결정됩니다. 낮은 상태는 마찬가지로 낮은 히스토그램의 모드로 결정됩니다.
두 모드 중 하나의 수가 트레이스 데이터 입력의 총 포인트 수의 최소 1 %보다 크지 않으면 1 배 더 큰 빈 너비를 사용하여 히스토그램이 다시 생성됩니다. 빈 너비가 더 큰 히스토그램을 다시 생성하는이 프로세스는 히스토그램 모드가 총 포인트 수의 0.01 % 이상이 될 때까지 반복됩니다. 즉, 결과 높은 상태 및 낮은 상태의 최상의 경우 해상도는 0.1dBm (시작 bin 너비)이고 상태 수준이 얼마나 변동하는지에 따라 해상도가 1dBm, XNUMXdBm 등으로 떨어질 수 있습니다. .
펄스 레벨 유형이 USER로 설정되면 사용자는 높고 낮은 상태 레벨을 결정하고 USER TOP (S2) 및 USER BOTTOM (S1) 설정을 사용하여 레벨에 들어갑니다.
참조 레벨 순간 찾기
순간은 파형 지속 시간 내의 특정 시간 값입니다. 일반적으로 파형의 초기 순간을 기준으로 참조됩니다. 다음 섹션에서는 펄스 측정이 결정되는 방법을 설명합니다.
전환 찾기
트랜지션은 직접 또는 중간 트랜 션트를 통해 연결되는 파형의 연속 영역으로, 시간상 연속적이지만 서로 다른 상태의 발생 인 두 상태 발생입니다. 전환을 찾으려면 낮거나 높은 참조 레벨을 교차하는 것만 포함하는 필터링 된 참조 레벨 인스턴트 목록으로 시작하십시오. 목록의 각 참조 레벨 순간에는 해당 인덱스 및 방향이 있습니다 (예 : 참조 레벨을 교차하는 진폭 바로 앞의 트레이스 인덱스 및 트레이스가 기준 레벨 위에서 아래로 교차하는지 또는 그 반대로 교차 하는지를 나타내는 방향).
이 필터링 된 인스턴트 목록은 인덱스 오름차순으로 정렬됩니다. 그런 다음 필터링 된 목록에서 방향이 동일한 연속 순간을 검색하여 모든 양의 전환과 음의 전환 (고 / 저 기준 레벨 사이)을 찾습니다. 파형은 90 % 기준 레벨을 초과하면 "높음 상태"로 정의되고 10 % 기준 레벨 아래로 떨어지면 "낮음 상태"로 정의됩니다. 이것은 상태 상한 / 하한 경계 (IEEE 표준에서 선택 사항이라고 말함)를 사용하는 대신 선택된 대안입니다.
맥박 시간 및 기간 찾기
펄스 지속 시간은 유효한 펄스인지 확인하기 위해 위에서 설명한대로 포지티브 및 네거티브 전환을 사용하여 결정됩니다. 그렇다면 펄스 지속 시간 기준 레벨 (50 %)이 포지티브 / 네거티브 전환 내에 존재하는 것으로 확인됩니다. 이 기준 레벨은 펄스의 시작 및 종료 기간을 결정합니다. 기간은 종료 지점과 시작 지점 간의 차이입니다. 펄스 기간은 또한 먼저 양 및 음 전환에서 유효한 펄스가 있는지 확인합니다. 펄스 지속 시간 측정과 달리 펄스주기에는 펄스 반복 또는 펄스 트레인이 있어야 측정이 가능합니다. 유효한 측정을 생성하려면 3 % 기준 레벨에서 최소 50 개의 전환이 있어야합니다. 주기는 첫 번째 펄스의 시작 레벨과 두 번째 펄스의 시작 레벨 사이의 거리입니다.
파동 평균 구하기
파동 평균은 트레이스에서 사용할 수있는 모든 전체 기간 내 모든 포인트의 전력 레벨을 평균하여 결정됩니다. 시작 및 중지 위치를 결정하기 위해 전환 횟수를 사용하여 전체 기간이 하나 이상 있는지 확인합니다. 전체 기간이 없으면 시스템은 "nan"을 반환합니다. 그렇지 않으면이 측정의 시작 지점은 첫 번째 전환의 시작이고 끝 지점은 마지막 전체 기간의 전환의 시작입니다.
예를 들어, XNUMX 개의 전환이있는 트레이스는 첫 번째 전환 이전에 두 개의 전체 기간이 뒤 따르고 XNUMX 개 미만의 전체 기간이 뒤 따르는 몇 개의 포인트가 있습니다. 모든 전체 기간의 시작과 끝이 발견되면 그 사이의 모든 포인트가 합산되어 측정에 사용 된 총 포인트 수로 나뉩니다.
추적 평균 찾기
추적 평균은 추적에있는 모든 지점의 지수 평균입니다. 파동 평균과 달리 전체 펄스로 제한되지 않습니다.
맥박 평균 찾기
펄스 평균은 펄스의 하이 상태 (일반적으로 90 % 기준선 위의 포인트)에있는 포인트의 평균입니다. 이것은 양의 펄스에만 적용됩니다. 양의 펄스가 없으면 측정 값이 반환되지 않습니다.
맥박 중심 순간 및 반복 주파수 찾기
펄스 반복 주파수는 펄스주기 (1 / 펄스주기)의 역으로 주파수 값으로 결정됩니다. 펄스 중심 순간은 펄스 지속 시간 (50 %) 시작 시간을 취하고 펄스 지속 시간 (펄스 지속 시간 / 2)의 절반 인 펄스 지속 시간 중간 점을 더하여 결정됩니다.
펄스 피크 찾기
펄스 피크는 포지티브 전환 후 파형의 최대 값입니다. 양의 전환이 없으면 전체 파형의 피크 진폭이 반환됩니다.
맥박 틸트 찾기
펄스 틸트는 상태의 전체 기울기가 본질적으로 일정하고 25이 아닌 파형 상태의 왜곡을 측정합니다. 기울기는 극성 중 하나 일 수 있으며 음 또는 양의 펄스에 대해 계산됩니다. 기울기를 측정 할 수있는 파형 상태가 있는지 확인하려면 완전한 펄스 (최소 두 번의 전이 포함)가 필요합니다. 파형 상태 내에 충분한 트레이스 데이터가있는 경우 오버 슈트 왜곡이 발생할 가능성이 가장 높은 샘플의 처음 및 마지막 50 %가 제거됩니다. 그런 다음 상태 추적 데이터의 나머지 XNUMX %의 기울기는 최소 제곱 법을 사용하여 계산되고 기울기는 상태의 추적 지점 수와 기울기를 곱하여 계산됩니다.
파동 진폭 찾기
파형 진폭은 dB 단위로 표시되는 상위 상태 레벨의 진폭에서 하위 상태 레벨의 진폭을 빼서 구합니다.
피크 대 웨이브 평균 찾기
피크 대 파동 평균은 dB 단위로 펄스 피크에서 파동 평균을 뺀 값입니다. 이것은 파동 평균이 유효한 값을 가져야하기 때문에 최소한 하나의 전체 기간이 있어야합니다. 측량.
전환 전 및 후 수차 영역 찾기
전이 전 수차 영역은 첫 번째 전이 이전에 마지막 상태가 교차하기 전의 트레이스 영역으로 결정되며 너비는 첫 번째 전이 기간의 XNUMX 배입니다. 전환 전에 사용 가능한 추적 데이터에 의해 상한이 지정됩니다. 전환 후 수차 영역은 첫 번째 전환을지나 첫 번째 상태에서 시작하여 전환 기간의 XNUMX 배 또는 다음 전환의 시작에서 끝나는 영역입니다.
전환 전 및 후 수차 영역 찾기
전이 전 수차 영역은 첫 번째 전이 이전에 마지막 상태가 교차하기 전의 트레이스 영역으로 결정되며 너비는 첫 번째 전이 기간의 XNUMX 배입니다. 전환 전에 사용 가능한 추적 데이터에 의해 상한이 지정됩니다. 전환 후 수차 영역은 첫 번째 전환을지나 첫 번째 상태에서 시작하여 전환 기간의 XNUMX 배 또는 다음 전환의 시작에서 끝나는 영역입니다.
각 수차 영역의 오버 슈트 및 언더 슈트 찾기
각 영역의 오버 슈트 및 언더 슈트는 각 수차 영역의 최대 및 최소 추적 값과 로컬 상태 수준의 차이를 사용하여 계산됩니다. 로컬 상태 레벨은 양의 전환에서 (낮음 = 사전 전환 → 높음 = 전환 후), 음의 전환에서 (높음 = 사전 전환 → 낮음 = 전환 후)
