Introductie
Het gebruik van RF-pulsen om objecten in drie dimensies te detecteren begon in de vroege jaren 1900. De eerste toepassingen waren gericht op militaire vereisten, met name de detectie van schepen en vliegtuigen. Tegenwoordig wordt radar gebruikt in een breed scala aan militaire, commerciële en onderzoekstoepassingen, waaronder het volgen van vliegtuigen, het bewaken van het weer en het detecteren van de snelheid van alles, van een tennisbal tot een auto. Het basisprincipe van radar blijft ongewijzigd, met een korte uitbarsting van RF-energie die wordt uitgezonden en vervolgens een ontvanger die wacht om enige van die energie te detecteren die is teruggekaatst van een ver object.
Als ze eenmaal zijn geïnstalleerd, wordt verwacht dat veel radars tientallen jaren ononderbroken zullen werken. Om ervoor te zorgen dat hun prestaties na verloop van tijd niet verslechteren, is het noodzakelijk om hun belangrijkste prestatiestatistieken met regelmatige tussenpozen te meten. Een van de belangrijkste prestatiegebieden die worden bewaakt, zijn de kenmerken van de verzonden RF-pulsen. De IEEE heeft specificaties gepubliceerd voor hoe de kritische parameters van pulsen moeten worden gemeten, "IEEE Std 181-2011, Standard for Transitions, Pulses and Related Waveforms". Deze norm specificeert precies welke parameters gemeten moeten worden en hoe die metingen berekend moeten worden.
De Field Master Pro MS2090A met optie 0421 pulsanalysator geeft de volledige pulskarakteristieken weer en biedt gedetailleerde numerieke resultaten voor alle gangbare radarparameters. Deze toepassingsnota benadrukt het gebruik ervan in veldmetingen van luchthavenbewakingsradar en weerradar.
Luchthavenbewakingsradar
In 1998 introduceerde de Federal Aviation Administration (FAA) van de Verenigde Staten een nieuwe luchthavenbewakingsradar, ASR-11 genaamd, die de bewegingen van vliegtuigen volgt en bovendien wat weersinformatie geeft. Er zijn nu meer dan 400 van deze radars ingezet in de VS.
| ASR-11 bewakingsradar voor luchthavens | |
| Fabrikant | Raytheon |
| Frequentie | 2.7 naar 2.9 GHz |
| RANGE | 60 mijl (~97 km) |
| Piekvermogen | 25 kW |
| Pulse Width | 1 µs tot 80 µs |
| Pulsherhalingsfrequentie | ~ 1 ms |
| Rotatiesnelheid | 12.5 RPM |
Het hoge piekvermogen van deze radars maakt het heel gemakkelijk om mijlen van hun locatie te detecteren. De FAA-radar die de San Francisco Bay Area bestrijkt, bevindt zich bijvoorbeeld aan de zuidkant van de baai, zoals te zien is op de kaart in figuur 1.
Deze specifieke radar zendt op 2.875 GHz. Door een 2 tot 4 GHz golfgeleiderantenne op een statief te monteren op een afstand van ongeveer 50 kilometer, zijn de radarpulsen goed waarneembaar (figuur 3).
Door de rotatie van de radarantenne worden de pulsen slechts ongeveer om de 5 seconden op de ontvangende analysator gericht, zoals te zien is in figuur 4.
Figuur 5 laat zien dat vanwege de korte duur van de pulsen en de rotatie van de zendantenne, een spectrumanalysator in de frequentiesweep-modus het signaal niet opvangt, zelfs niet met trace maximale hold.
Door de analysatormodus te schakelen om het signaal met de RTSA te bekijken, kan men zien dat het radarsignaal altijd wordt vastgelegd (figuur 6). De RTSA geeft continu het radarpulsvermogen weer dat lijkt te stijgen en dalen wanneer de roterende antenne naar de golfgeleiderhoornantenne wijst die is aangesloten op de Field Master Pro MS2090A en er vervolgens vanaf draait. Dit heeft het effect van het weergeven van een vermogensspectrumdichtheid die lijkt te "ademen". Het gebruik van een maximale hold trace geeft een goede indicatie van het huidige signaalniveau ten opzichte van de maximale conditie (figuur 7).
Om de pulsen in het tijdsdomein te bekijken, wordt de spectrumanalysator in de nulspanmodus gezet. Hiermee wordt de frequentie van de input van de analysator vastgelegd en wordt het vermogen tegen de tijd op het display weergegeven. In eerste instantie is het interessant om een lange tijdspanne in te stellen zodat de radarzenderpulsen zichtbaar zijn. Afbeelding 8 toont de groepen pulsen die worden weergegeven met een nominale werkcyclus van 5 seconden terwijl de radarzender draait. In dit geval bevat elk van de bursts van RF-energie veel individuele pulsen van 1 µs.
Hoewel metingen aan de pulsen kunnen worden gedaan in de nulbereikmodus door markeringen op de trace te plaatsen, heeft dit niet de nauwkeurigheid of meettraceerbaarheid die wordt geboden door de optie 0421 pulsanalysator.
Het inschakelen van de pulsanalysatoroptie levert metingen op pulsen en pulsstromen in volledige overeenstemming met de IEEE-standaard. Voor metingen van pulsherhalingsfrequentie, duty-cycle en uit-tijd, moeten ten minste twee pulsen worden vastgelegd en weergegeven, meestal is het beter om meer vast te leggen (figuur 11). Afhankelijk van de pulsreeks en de individuele pulskarakteristieken, is het misschien niet mogelijk om alle metingen, zoals de stijgtijd, in dezelfde periode uit te voeren.
Stel het videotriggerniveau en de pre-triggervertraging in om een stabiele stroom pulsen op het instrumentdisplay weer te geven. De pulsanalysatoroptie vult automatisch alle metingen die kunnen worden uitgevoerd op de vastgelegde gegevens, er is geen extra instelling vereist.
Verkort de sweep-tijd om een enkele puls weer te geven. Verticale markeringslijnen worden automatisch geplaatst op de 10% en 90% lineaire vermogenspunten voor stijgende en dalende randen, evenals horizontale markeringen voor het 50% referentieniveau dat wordt gebruikt om de pulsduur te meten. De standaardwaarden van de IEEE kunnen indien nodig handmatig worden overschreven. (Details van de IEEE-meting zijn te vinden in de bijlage.)
Afbeelding 13 laat zien dat een weergavemodus op volledig scherm beschikbaar is voor een meer gedetailleerde weergave van een enkele puls.
Met de Field Master Pro MS2090A pulsanalysatoroptie kunnen veldmetingen van luchthavenbewakingsradars nauwkeurig en snel worden uitgevoerd zonder de werking te onderbreken.
Weerradar
Een andere veel voorkomende toepassing van radar is het bewaken van weersomstandigheden, waaronder regenval, stormen en sneeuw. Weerradars kunnen op de grond zijn gebaseerd voor het actief volgen van regen en stormen of op satellieten voor monitoring van een groter gebied. In de VS wordt een netwerk van meer dan 150 weerradars op de grond beheerd door het nationale weercentrum. Bekend als het Next Generation Weather Radar (NEXRAD)-systeem, werden de eerste radars ingezet en gebruikt in de jaren negentig en het systeem wordt voortdurend verbeterd.
| WSR-88D Nationale weerradar | |
| Hoofdaannemer | Unisys |
| Frequentie | 2.7 naar 3.0 GHz |
| RANGE | 90 tot 150 mijl (~145 tot 240 km) |
| Piekvermogen | 700 kW |
| Pulse Width | ~ 1 µs tot 5 µs |
| Pulsherhalingsfrequentie | ~ 1 ms |
| Rotatiesnelheid | 3 RPM |
De karakteristieken van de weerradar zijn vergelijkbaar met de radars voor luchthavenbewaking. Beide gebruiken dezelfde frequentieband en krachtige pulsen. Frequentieplanning is belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen interferentie is tussen de technologieën. De weerradar die de San Francisco Bay Area bestrijkt, bevindt zich op de berg Umunhum, ongeveer 20 mijl ten zuiden van San Jose.
De weerradar van Mount Umunhum zendt uit op 2.745 GHz en de antenne draait ongeveer 3 keer per minuut (figuur 15). De pulstrein varieert afhankelijk van de omstandigheden op dat moment. Dichte regen reflecteert meer kracht en vermindert het bereik.
De testopstelling voor deze radar is vergelijkbaar met de eerder beschreven proefopstelling voor de luchthavensurveillanceradar. Een golfgeleiderhoornantenne aangesloten op de Field Master Pro MS2090A en gericht in de richting van de radar, maakt het mogelijk om kilometers vanaf de radarlocatie te meten.
Het analyseren van de pulstreinen in de nulspanmodus benadrukt de verandering in de pulsherhalingsfrequentie die door de radar in verschillende modi wordt gebruikt om veranderingen in atmosferische omstandigheden te analyseren. Afbeelding 16 toont het verschil in twee afzonderlijke vastgelegde weergaven
De optie pulsanalysator biedt opnieuw een snelle gedetailleerde analyse van de pulsreeks en individuele pulskarakteristieken die te zien zijn in afbeelding 17.
Samengevat
De Field Master Pro MS2090A pulsanalysatoroptie biedt een krachtige testoplossing voor het meten van gepulseerde radarsignalen in het veld. De brede meetbandbreedte ondersteunt stijgtijdmetingen tot 30 ns. In combinatie met IEEE-conforme pulsmetingen is routinetesten van radars voor onderhouds- of probleemoplossingstoepassingen mogelijk op een manier die voorheen beperkt was tot het laboratorium en in het veld kan worden uitgevoerd.
Bijlage: Overzicht van ondersteunde polsmetingen
Pulsmetingen
De hoge/lage referentieniveaus vinden met behulp van het histogramalgoritme
Als het pulsniveautype is ingesteld op AUTO, wordt een histogramalgoritmemethode gebruikt voor het bepalen van de hoge en lage statusniveaus zoals beschreven in de IEEE-standaard voor pulsen, overgangen en gerelateerde golfvormen (181-2011), sectie 5.2.1. De traceringsgegevens worden als invoer genomen en de amplitudes worden verwerkt in termen van dBm-eenheden. De traceergegevens worden geconverteerd naar een histogram waarbij het aantal bins wordt bepaald door een vaste binbreedte van 0.01 over het totale bereik van waarden in de traceringsgegevens (trace max tot trace min). Met andere woorden, elke amplitude van het traceerpunt resulteert in een verhoogde "telling" in de histogrambak die overeenkomt met het amplitudebereik waarin die amplitude valt. Om de hoge en lage statusniveaus te vinden, wordt het resulterende histogram opgesplitst in een "bovenste" en "lagere" histogram, waarbij het eerste bestaat uit alle bins die overeenkomen met het bovenste 50%-bereik van amplitudes, en het laatste de onderste 50% bereik. Vervolgens wordt bepaald dat de hoge toestand de modus van het bovenste histogram is, dwz de amplitude die overeenkomt met de histogrambak met de hoogste telling. De lage toestand wordt op soortgelijke wijze bepaald als de modus van het onderste histogram.
Als het aantal van een van beide modi niet groter is dan ten minste 1% van het totale aantal punten in de invoer van traceergegevens, wordt het histogram opnieuw gemaakt met een binbreedte die tien keer groter is. Dit proces van het regenereren van het histogram met een grotere bakbreedte wordt herhaald totdat de modus van het histogram ten minste 1% van het totale aantal punten is. Dit betekent dat de beste resolutie van de resulterende hoge en lage toestand 0.01 dBm is (de beginbakbreedte), en afhankelijk van hoeveel de toestandsniveaus fluctueren, kan de resolutie terugvallen tot 0.1 dBm, 1 dBm, enzovoort. .
Wanneer het type pulsniveau is ingesteld op GEBRUIKER, bepaalt de gebruiker de hoge en lage statusniveaus en voert hij het niveau in met behulp van de instellingen GEBRUIKER BOVEN (S2) en GEBRUIKER BODEM (S1).
De referentieniveau-momenten vinden
Instants zijn een specifieke tijdwaarde binnen een tijdsduur van een golfvorm. Ze worden meestal gerefereerd ten opzichte van het beginmoment van de golfvorm. In de volgende paragrafen wordt beschreven hoe de pulsmetingen worden bepaald
De overgangen vinden
Overgangen zijn aaneengesloten regio's van een golfvorm die, direct of via tussenliggende transiënten, twee toestanden met elkaar verbinden die opeenvolgend zijn in de tijd, maar voorkomen van verschillende toestanden. Om de overgang te vinden, begint u met een gefilterde lijst van referentieniveau-momenten die alleen die bevatten die de lage of hoge referentieniveaus overschrijden. Elk referentieniveau-moment in de lijst heeft een corresponderende index en richting (bijv. de spoorindex onmiddellijk voordat de amplitude het referentieniveau kruist, en richting die aangeeft of het spoor van boven naar onder het referentieniveau kruist of vice versa).
Deze gefilterde lijst met instants is gesorteerd in oplopende indexvolgorde. Vervolgens worden alle positieve en negatieve overgangen (tussen de hoge/lage referentieniveaus) gevonden door te zoeken naar opeenvolgende momenten in de gefilterde lijst die beide dezelfde richting hebben. De golfvorm is gedefinieerd in de "hoge toestand" als deze het referentieniveau van 90% overschrijdt en in de "lage toestand" als deze onder het referentieniveau van 10% daalt. Dit is het gekozen alternatief in plaats van de boven-/ondergrenzen van de staat te gebruiken (wat volgens de IEEE-standaard optioneel is).
Pulsduur en -periode vinden
De pulsduur wordt bepaald door gebruik te maken van de positieve en negatieve overgangen zoals hierboven beschreven om te controleren of het een geldige puls is. Als dit het geval is, wordt geverifieerd dat eventuele referentieniveaus voor pulsduur (50%) bestaan binnen de positieve/negatieve overgang. Dit referentieniveau bepaalt de begin- en eindperiode van de puls. De duur is slechts het verschil tussen het eindpunt en het beginpunt. De pulsperiode bepaalt ook eerst dat we een geldige puls hebben van de positieve en negatieve overgangen. In tegenstelling tot de pulsduurmeting, moet de pulsperiode de pulsherhaling of een pulsreeks hebben om een meting te hebben. Er moeten ten minste 3 overgangen in het referentieniveau van 50% zijn om een geldige meting te produceren. De periode is de afstand tussen het startniveau van de eerste puls en het startniveau voor de tweede puls.
Het golfgemiddelde vinden
Het golfgemiddelde wordt bepaald door het gemiddelde te nemen van de vermogensniveaus van alle punten binnen alle volledige perioden die beschikbaar zijn op het spoor. Om te bepalen waar te beginnen en te stoppen, wordt het aantal overgangen gebruikt om te bepalen of er ten minste één volledige periode is. Het systeem retourneert "nan" als er geen volledige periode is. Anders is het startpunt voor deze meting het begin van de eerste overgang en het eindpunt is het begin van de overgang van de laatste volledige periode.
Een spoor met zes overgangen heeft bijvoorbeeld een aantal punten vóór de eerste overgang, gevolgd door twee volledige perioden, gevolgd door minder dan één volledige periode. Zodra het begin en het einde van alle volledige perioden zijn gevonden, worden alle punten ertussen bij elkaar opgeteld en gedeeld door het totale aantal punten dat bij de meting is gebruikt.
Trace-gemiddelde vinden
Het spoorgemiddelde is het exponentiële gemiddelde van alle punten in het spoor. In tegenstelling tot het golfgemiddelde, is het niet beperkt tot volledige pulsen.
Het polsgemiddelde vinden
Het pulsgemiddelde is het gemiddelde van de punten in de hoge staat van de puls (meestal die punten boven de 90% referentielijn). Dit geldt alleen voor positieve pulsen. Als er geen positieve puls is, wordt er geen meting geretourneerd.
De onmiddellijke en herhalingsfrequentie van het pulscentrum vinden
De pulsherhalingsfrequentie wordt bepaald uit de inverse van de pulsperiode (1/pulsperiode) als frequentiewaarde. Het pulscentrum-moment wordt bepaald door de starttijd van de pulsduur (50%) te nemen en het middelpunt van de pulsduur toe te voegen, wat de helft is van de pulsduur (pulsduur/2).
De pulspiek vinden
De pulspiek is de maximale waarde in een golfvorm na een positieve overgang. Als er geen positieve overgang is, wordt de piekamplitude van de algehele golfvorm geretourneerd.
De Pulse Tilt vinden
De pulskanteling meet de vervorming van een golfvormtoestand waarbij de algehele helling van de toestand in wezen constant is en anders dan nul. De helling kan van beide polariteiten zijn en wordt berekend voor negatieve of positieve pulsen. Er is een volledige puls (met ten minste twee overgangen) nodig om ervoor te zorgen dat er een golfvormtoestand is waarvoor kanteling kan worden gemeten. Als er voldoende traceergegevens zijn binnen de golfvormstatus, worden de eerste en laatste 25% van de monsters verwijderd waarbij de kans op overshoot-vervorming het grootst is. De helling van de resterende 50% van de traceringsgegevens van de staat wordt vervolgens berekend met behulp van de kleinste-kwadratenmethode en de helling wordt berekend door de helling te vermenigvuldigen met het aantal traceerpunten in de staat.
De golfamplitude vinden
De golfamplitude wordt gevonden door de amplitude van het onderste toestandsniveau af te trekken van de amplitude van het bovenste toestandsniveau in dB-eenheden.
Het gemiddelde van piek tot golf vinden
Het piek-tot-golfgemiddelde wordt gevonden door het golfgemiddelde af te trekken van de pulspiek in termen van dB. Dit vereist dat het golfgemiddelde een geldige waarde heeft, dus er moet ten minste één volledige periode zijn voor a maat.
De regio voor aberratie vóór en na de overgang vinden
Het aberratiegebied vóór de overgang wordt bepaald als het gebied van het spoor vóór de laatste overgang van de toestand vóór de eerste overgang, en met een breedte die gelijk is aan driemaal de duur van de eerste overgang. Het wordt aan de bovenzijde begrensd door de beschikbare traceringsgegevens vóór de overgang. Het post-overgangsaberratiegebied is het gebied dat begint bij de eerste toestand die voorbij de eerste overgang gaat en eindigt bij driemaal de overgangsduur of bij het begin van de volgende overgang, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet.
De regio voor aberratie vóór en na de overgang vinden
Het aberratiegebied vóór de overgang wordt bepaald als het gebied van het spoor vóór de laatste overgang van de toestand vóór de eerste overgang, en met een breedte die gelijk is aan driemaal de duur van de eerste overgang. Het wordt aan de bovenzijde begrensd door de beschikbare traceringsgegevens vóór de overgang. Het post-overgangsaberratiegebied is het gebied dat begint bij de eerste toestand die voorbij de eerste overgang gaat en eindigt bij driemaal de overgangsduur of bij het begin van de volgende overgang, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet.
De over- en onderschrijding van elke aberratieregio vinden
De over- en onderschrijding van elke regio worden berekend door het verschil te nemen tussen de maximale en minimale traceerwaarde van elke aberratieregio en het lokale staatsniveau. Lokaal toestandsniveau is (Laag = pre-transitie → Hoog = post-transitie) in een positieve overgang, en (Hoog = pre-transitie → Laag = post-overgang) in een negatieve overgang
