Introdução
O uso de pulsos de RF para detectar objetos em três dimensões começou no início do século XX. As aplicações iniciais se concentraram em requisitos militares, especificamente na detecção de navios e aeronaves. Hoje, o radar é usado em uma ampla gama de aplicações militares, comerciais e de pesquisa, incluindo rastreamento de aeronaves, monitoramento do clima e detecção da velocidade de qualquer coisa, desde uma bola de tênis até um carro. O princípio básico do radar permanece inalterado, com uma curta rajada de energia de RF sendo transmitida e, em seguida, um receptor esperando para detectar qualquer dessa energia que foi devolvida de um objeto distante.
Depois de instalados, espera-se que muitos radares funcionem ininterruptamente por décadas de serviço. Para garantir que seu desempenho não seja degradado com o tempo, é necessário medir suas principais métricas de desempenho em intervalos regulares. Uma das principais áreas de desempenho monitorado são as características dos pulsos de RF transmitidos. O IEEE publicou especificações de como os parâmetros críticos de pulsos devem ser medidos, “IEEE Std 181-2011, Padrão para Transições, Pulsos e Formas de Onda Relacionadas”. Este padrão especifica precisamente quais parâmetros precisam ser medidos e como essas medições devem ser calculadas.
O Field Master Pro MS2090A com analisador de pulso opcional 0421 exibe as características completas do pulso e fornece resultados numéricos detalhados para todos os parâmetros comuns do radar. Esta nota de aplicação destaca seu uso em medições de campo de radar de vigilância aeroportuária e radar meteorológico.
Radar de vigilância aeroportuária
Em 1998, a Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos (FAA) introduziu um novo radar de vigilância de aeroporto chamado ASR-11, que rastreia o movimento da aeronave e, adicionalmente, fornece algumas informações meteorológicas. Existem agora mais de 400 desses radares implantados nos EUA.
| Radar de Vigilância Aeroportuária ASR-11 | |
| Fabricante | Raytheon |
| Frequência | 2.7 para 2.9 GHz |
| Variação | 60 milhas (~ 97 km) |
| Pico de energia | 25 kW |
| Largura do pulso | 1 µs a 80 µs |
| Freqüência de Repetição de Pulso | ~ 1 ms |
| Taxa de rotação | RPM 12.5 |
A alta potência de pico desses radares os torna muito fáceis de detectar a quilômetros de sua localização. Por exemplo, o radar FAA que cobre a área da Baía de São Francisco está localizado na extremidade sul da baía, conforme visto na figura 1 do mapa.
Este radar específico transmite a 2.875 GHz. Montando uma antena guia de ondas de 2 a 4 GHz em um tripé a uma distância de cerca de 50 quilômetros, os pulsos do radar são facilmente detectáveis (figura 3).
Devido à rotação da antena do radar, os pulsos são direcionados apenas ao analisador receptor aproximadamente a cada 5 segundos, conforme visto na figura 4.
A Figura 5 mostra que, devido à curta duração dos pulsos e à rotação da antena transmissora, um analisador de espectro no modo de varredura de frequência não captura o sinal, mesmo com a retenção máxima do traço aplicada.
Ao alternar o modo do analisador para visualizar o sinal com o RTSA, pode-se ver que o sinal do radar é sempre capturado (figura 6). O RTSA exibe continuamente a potência do pulso do radar que parece subir e descer conforme a antena rotativa aponta para a antena de corneta do guia de ondas conectada ao Field Master Pro MS2090A e, em seguida, gira para longe dela. Isso tem o efeito de exibir uma densidade de espectro de potência que parece “respirar”. O uso de um traço de retenção máxima fornece uma boa indicação do nível do sinal atual em relação à condição máxima (figura 7).
Para visualizar os pulsos no domínio do tempo, o analisador de espectro é colocado no modo de amplitude zero. Isso corrige a frequência da entrada do analisador e exibe a potência em relação ao tempo no visor. Inicialmente, é interessante definir um intervalo de tempo longo para que os pulsos do transmissor do radar possam ser vistos. A Figura 8 mostra os grupos de pulsos exibidos com um ciclo de trabalho nominal de 5 segundos conforme o transmissor do radar gira. Nesse caso, cada uma das explosões de energia de RF contém muitos pulsos individuais de 1 µs.
Embora as medições nos pulsos possam ser feitas no modo de amplitude zero posicionando marcadores no traçado, isso não tem a precisão ou rastreabilidade da medição fornecida pelo analisador de pulso 0421 opcional.
A ativação da opção de analisador de pulso fornece medições de pulsos e fluxos de pulso em total conformidade com o padrão IEEE. Para medições de frequência de repetição de pulso, ciclo de serviço e tempo desligado, pelo menos dois pulsos devem ser capturados e exibidos, normalmente é melhor capturar mais (figura 11). Dependendo do trem de pulso e das características individuais do pulso, pode não ser possível realizar todas as medições, como o tempo de subida no mesmo intervalo.
Defina o nível de disparo de vídeo e o atraso de pré-disparo para exibir um fluxo estável de pulsos no visor do instrumento. A opção do analisador de pulso preenche automaticamente todas as medições que podem ser realizadas nos dados capturados, nenhuma configuração adicional é necessária.
Reduza o tempo de varredura para exibir um único pulso. As linhas verticais do marcador são colocadas automaticamente nos pontos de potência lineares de 10% e 90% para bordas de subida e descida, bem como marcadores horizontais para o nível de referência de 50% usado para medir a duração do pulso. Os valores padrão IEEE podem ser substituídos manualmente, se necessário. (Detalhes da medição IEEE podem ser encontrados no apêndice.)
A Figura 13 mostra um modo de exibição de tela inteira disponível para uma exibição mais detalhada de um único pulso.
Com a opção de analisador de pulso Field Master Pro MS2090A, as medições de campo de radares de vigilância em aeroportos podem ser concluídas com precisão e rapidez, sem interromper a operação.
Radar meteorológico
Outra aplicação comum do radar é monitorar as condições meteorológicas, incluindo chuva, tempestades e neve. Os radares meteorológicos podem ser baseados no solo para rastrear ativamente chuvas e tempestades ou baseados em satélite para monitoramento de áreas mais amplas. Nos EUA, uma rede de mais de 150 radares meteorológicos terrestres é operada pelo centro meteorológico nacional. Conhecido como sistema de radar meteorológico de última geração (NEXRAD), os primeiros radares foram implantados e operados na década de 1990 e o sistema está em aprimoramento contínuo.
| Radar meteorológico nacional WSR-88D | |
| Empreiteiro Principal | Unisys |
| Frequência | 2.7 para 3.0 GHz |
| Variação | 90 a 150 milhas (~ 145 a 240 km) |
| Pico de energia | 700 kW |
| Largura do pulso | ~ 1 µs a 5 µs |
| Freqüência de Repetição de Pulso | ~ 1 ms |
| Taxa de rotação | RPM 3 |
As características do radar meteorológico são semelhantes às dos radares de vigilância aeroportuária. Ambos usam a mesma banda de frequência e pulsos de alta potência. O planejamento de frequência é importante para garantir que não haja interferência entre as tecnologias. O radar meteorológico que cobre a área da Baía de São Francisco está localizado no Monte Umunhum, cerca de 20 milhas ao sul de San Jose.
O radar meteorológico Mount Umunhum transmite a 2.745 GHz e a antena gira cerca de 3 vezes por minuto (figura 15). O trem de pulso varia dependendo das condições no momento. A chuva densa refletirá mais potência e reduzirá o alcance.
O teste configurado para este radar é semelhante ao descrito anteriormente para o radar de vigilância aeroportuária. Uma antena de buzina de guia de ondas conectada ao Field Master Pro MS2090A e apontada na direção do radar permite que as medições sejam feitas a muitos quilômetros do local do radar.
Analisar os trens de pulso no modo de amplitude zero destaca a mudança na frequência de repetição do pulso usada pelo radar em diferentes modos para analisar as mudanças nas condições atmosféricas. A Figura 16 mostra a diferença em duas visualizações capturadas separadas
A opção do analisador de pulso novamente fornece uma análise rápida e detalhada do trem de pulso e das características individuais do pulso que podem ser vistas na figura 17.
Resumo
A opção de analisador de pulso Field Master Pro MS2090A fornece uma solução de teste poderosa para medir sinais de radar pulsados em campo. A ampla largura de banda de medição suporta medições de tempo de subida de até 30 ns. Juntamente com as medições de pulso em conformidade com o IEEE, o teste de rotina de radares para manutenção ou solução de problemas é possível de uma forma que antes era restrita ao laboratório e pode ser realizada em campo.
Apêndice: Resumo das medições de pulso compatíveis
Medições de pulso
Encontrando os Níveis de Referência Alto / Baixo Usando o Algoritmo do Histograma
Quando o tipo de nível de pulso é definido como AUTO, um método de algoritmo de histograma é usado para determinar os níveis de estado alto e baixo conforme descrito no Padrão IEEE para Pulsos, Transições e Formas de Onda Relacionadas (181-2011), Seção 5.2.1. Os dados de rastreamento são tomados como entrada e as amplitudes são operadas em termos de unidades dBm. Os dados de rastreamento são convertidos em um histograma onde o número de compartimentos é determinado por uma largura de compartimento fixa de 0.01 em todo o intervalo de valores nos dados de rastreamento (traço máximo a traço mínimo). Em outras palavras, cada amplitude de ponto de traço resulta em uma “contagem” incrementada no compartimento do histograma que corresponde à faixa de amplitude na qual essa amplitude cai. Para encontrar os níveis de estado alto e baixo, o histograma resultante é dividido em um histograma "superior" e "inferior", onde o primeiro consiste em todas as caixas que correspondem à faixa superior de 50% das amplitudes, e o último, os 50% inferiores alcance. Então, o estado alto é determinado como o modo do histograma superior, ou seja, a amplitude correspondente ao compartimento do histograma com a contagem mais alta. O estado baixo é igualmente determinado como o modo do histograma inferior.
Se a contagem de qualquer um dos modos não for maior que pelo menos 1% do número total de pontos na entrada de dados de rastreamento, o histograma será recriado usando uma largura de compartimento dez vezes maior. Este processo de regenerar o histograma com uma largura de caixa maior é repetido até que o modo do histograma seja pelo menos 1% do número total de pontos. Isso significa que o melhor caso de resolução do estado alto e baixo resultante é 0.01 dBm (a largura do compartimento inicial) e, dependendo de quanto os níveis de estado flutuam, a resolução pode cair para 0.1 dBm, 1 dBm e assim por diante .
Quando o tipo de nível de pulso é definido como USER, o usuário determina os níveis de estado alto e baixo e entra no nível usando as configurações USER TOP (S2) e USER BOTTOM (S1).
Encontrando os Instantes de Nível de Referência
Os instantes são um valor de tempo específico dentro de uma duração de tempo de forma de onda. Eles são normalmente referenciados em relação ao instante inicial da forma de onda. As seções a seguir descrevem como as medições de pulso são determinadas
Encontrando as Transições
As transições são regiões contíguas de uma forma de onda que conectam, diretamente ou por meio de transientes intermediários, duas ocorrências de estado que são consecutivas no tempo, mas são ocorrências de estados diferentes. Para encontrar a transição, comece com uma lista filtrada de instantes de nível de referência que contêm apenas aqueles que cruzam os níveis de referência baixo ou alto. Cada instante do nível de referência na lista tem um índice e direção correspondentes (por exemplo, o índice do traço imediatamente antes da amplitude que cruza o nível de referência e a direção que indica se o traço cruza de cima para baixo do nível de referência ou vice-versa).
Esta lista filtrada de instantes é classificada em ordem crescente de índice. Em seguida, todas as transições positivas e negativas (entre os níveis de referência alto / baixo) são encontradas procurando por instantes consecutivos na lista filtrada que tenham a mesma direção. A forma de onda é definida para estar no “estado alto” se exceder o nível de referência de 90% e no “estado baixo” se cair abaixo do nível de referência de 10%. Esta é a alternativa escolhida em vez de usar os limites superior / inferior do estado (que o padrão IEEE diz ser opcional).
Encontrando a duração e o período do pulso
A duração do pulso é determinada usando as transições positivas e negativas conforme descrito acima para verificar se é um pulso válido. Em caso afirmativo, quaisquer níveis de referência de duração de pulso (50%) são verificados para existir dentro da transição positiva / negativa. Este nível de referência determina o período inicial e final do pulso. A duração é apenas a diferença entre o ponto final e o ponto inicial. O período de pulso também determina primeiro que temos um pulso válido das transições positivas e negativas. Ao contrário da medição da duração do pulso, o período do pulso deve ter a repetição do pulso, ou um trem de pulso, para ter uma medição. Deve haver pelo menos 3 transições no nível de referência de 50% para produzir uma medição válida. O período é a distância entre o nível inicial do primeiro pulso e o nível inicial do segundo pulso.
Encontrando a Média da Onda
A média da onda é determinada pela média dos níveis de potência de todos os pontos em todos os períodos completos disponíveis no traçado. Para determinar onde começar e parar, o número de transições é usado para determinar se há pelo menos um período completo. O sistema retorna “nan” se não houver um período completo. Caso contrário, o ponto inicial para esta medição é o início da primeira transição e o ponto final é o início da transição do último período completo.
Por exemplo, um traço com seis transições tem alguma quantidade de pontos antes da primeira transição seguida por dois períodos completos e, a seguir, por menos de um período completo. Uma vez que o início e o fim de todos os períodos completos tenham sido encontrados, todos os pontos entre eles são somados e divididos pelo número total de pontos usados na medição.
Encontrando a média do traço
A média do traço é a média exponencial de todos os pontos no traço. Ao contrário da média da onda, não é restrito a pulsos completos.
Encontrando a Média de Pulso
A média de pulso é a média dos pontos no estado alto do pulso (normalmente aqueles pontos acima da linha de referência de 90%). Isso se aplica apenas a pulsos positivos. Se não houver pulso positivo, nenhuma medição será retornada.
Encontrando o Pulse Center Instant e Frequência de Repetição
A frequência de repetição do pulso é determinada a partir do inverso do período do pulso (1 / período do pulso) como um valor de frequência. O instante central do pulso é determinado tomando o tempo de início da duração do pulso (50%) e adicionando o ponto médio da duração do pulso, que é metade da duração do pulso (duração do pulso / 2).
Encontrando o Pico de Pulso
O pico de pulso é o valor máximo em uma forma de onda após uma transição positiva. Se não houver transição positiva, a amplitude de pico da forma de onda geral é retornada.
Encontrando a inclinação do pulso
A inclinação do pulso mede a distorção de um estado de forma de onda em que a inclinação geral do estado é essencialmente constante e diferente de zero. A inclinação pode ser de qualquer polaridade e é calculada para pulsos negativos ou positivos. Um pulso completo (com pelo menos duas transições) é necessário para garantir que haja um estado de forma de onda para o qual a inclinação possa ser medida. Se houver dados de rastreamento suficientes no estado da forma de onda, os primeiros e os últimos 25% das amostras em que a distorção de overshoot é mais provável de ocorrer são removidos. A inclinação dos 50% restantes dos dados de rastreamento do estado é então calculada usando o método dos mínimos quadrados, e a inclinação é calculada multiplicando a inclinação pelo número de pontos de rastreamento no estado.
Encontrando a amplitude da onda
A amplitude da onda é encontrada subtraindo a amplitude do nível de estado inferior da amplitude do nível de estado superior em unidades de dB.
Encontrando a Média de Pico para Onda
A média de pico a onda é encontrada subtraindo a média da onda do pico de pulso em termos de dB. Isso requer que a média da onda tenha um valor válido, então deve haver pelo menos um período completo para um medição.
Encontrando a região de aberração pré e pós-transição
A região de aberração pré-transição é determinada como a região do traço antes do último cruzamento de estado antes da primeira transição e com uma largura igual a três vezes a duração da primeira transição. É limitado pelo limite superior dos dados de rastreamento disponíveis antes da transição. A região de aberração pós-transição é a região que começa no primeiro estado passando pela primeira transição e termina em três vezes a duração da transição ou no início da próxima transição, o que ocorrer primeiro.
Encontrando a região de aberração pré e pós-transição
A região de aberração pré-transição é determinada como a região do traço antes do último cruzamento de estado antes da primeira transição e com uma largura igual a três vezes a duração da primeira transição. É limitado pelo limite superior dos dados de rastreamento disponíveis antes da transição. A região de aberração pós-transição é a região que começa no primeiro estado passando pela primeira transição e termina em três vezes a duração da transição ou no início da próxima transição, o que ocorrer primeiro.
Encontrando o Overshoot e o Undershoot de cada região de aberração
O overshoot e undershoot de cada região são calculados tomando a diferença entre o valor de rastreamento máximo e mínimo de cada região de aberração e o nível do estado local. Nível de estado local sendo (Baixo = pré-transição → Alto = pós-transição) em uma transição positiva e (Alto = pré-transição → Baixo = pós-transição) em uma transição negativa
