Những hạn chế sức mạnh đã được radar chirped thiết kế để khắc phục?

Chirped Pulse Amplifying (CPA) là một kỹ thuật quang học, người chiến thắng giải thưởng Nobel vật lý năm 2018, được sử dụng để tạo ra các xung laser ngắn ở cường độ đủ cao để môi trường khuếch đại tự hủy qua các hiện tượng phi tuyến nếu nó cố gắng khuếch đại xung trực tiếp, bằng cách kẹp bộ khuếch đại giữa bộ căng xung và máy nén.

Thông thường dân gian trong quang học cho rằng kỹ thuật này ban đầu được phát triển để khuếch đại tín hiệu radar ở đâu đó trong thời kỳ đầu của lịch sử điện tử, và có ý nghĩa rằng nếu bạn có bộ khuếch đại ống chân không mỏng manh hoặc thứ gì đó, bạn có thể trao đổi cách tử nhiễu xạ quang học cho các ống dẫn sóng vi sóng phân tán thích hợp, hoặc bất cứ thứ gì chúng sử dụng trong những năm sáu mươi, và sẽ rất tuyệt vời để bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi rán.

Để thử và vượt qua sự hiểu biết mơ hồ đó, tôi đã cố gắng xem xét chính xác vấn đề nào của khuếch đại radar là mục tiêu của công việc nén khuếch đại kéo dài ban đầu (Tôi không chắc liệu tên CPA đã được sử dụng trong quá trình phát triển chưa , ngay cả khi nó thực sự được sử dụng để mô tả các hệ thống như vậy trong bối cảnh điện tử), nó được sử dụng cho điện tử khi nó chuyển sang quang học vào năm 1985, và nói chung hơn là lịch sử phát triển của nó là gì. Tuy nhiên, có một vài góc cạnh mà tôi không chắc lắm và tôi hy vọng SE này là một nơi tốt để hỏi về họ.

Giấy CPA gốc,

Nén các xung quang chirped khuếch đại. D. Strickland và G. Mourou. Quang học Comms. 55 , 447 (1985) .

thừa nhận rằng kỹ thuật này tương tự như các giải pháp đã được sử dụng trong radar và nó sẽ đưa người đọc đến một đánh giá thân thiện với người mới bắt đầu

Radar theo pha. E. Brookner. Khoa học Mỹ 252 , tháng 2 năm 1985, trang 94-102. .

nhưng đây là một chút của ngõ cụt thư mục vì nó không có tài liệu tham khảo. Cụ thể, tôi bị ấn tượng bởi thực tế là các kỹ thuật có sự khác biệt đáng kể.

• Trong quang học, chúng tôi muốn có một xung ngắn và chúng tôi muốn làm cho nó mạnh mẽ. Điều này sau đó cho phép chúng ta điều tra các hiện tượng quang phi tuyến, có thể đạt đến một số mức độ cực kỳ khó khăn . Điều này có nghĩa là chúng ta cần nén xung trước khi chúng ta sử dụng nó để làm bất cứ điều gì chúng ta muốn làm.

• Mặt khác, trong mô tả của Strickland và Brookner, rõ ràng các thiết bị điện tử chỉ thực sự quan tâm đến việc nén xung ngay trước khi phân tích cuối cùng, và hệ thống hoàn toàn hài lòng với việc phát xung không nén để tương tác với bất kỳ mặt phẳng hoặc 'bưởi nào các vật kim loại có kích thước 'nằm ngoài đó và thực hiện nén sau đó.

Quan điểm này được nhấn mạnh bởi một báo cáo dễ tiếp cận hơn của Rochester,

Đánh giá LLE , Báo cáo hàng quý, tháng 10-12 / 1985 . Phòng thí nghiệm cho Năng lượng Laser, Rochester, NY. §3B, trang 42-46 .

Cố gắng đi sâu hơn một chút vào chi tiết, tôi bối rối hơn một chút. Wikipedia đề cập đến người đọc quan tâm đến một đánh giá từ năm 1960, sau khi công nghệ đã được giải mật,

Nén xung - Chìa khóa để truyền radar hiệu quả hơn. Bếp nấu CE. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

nhưng tôi đang cố gắng để hiểu những vấn đề mà họ đang cố gắng giải quyết. Từ lời giới thiệu của Cook,

Trong hầu hết các trường hợp, nhu cầu về phạm vi phát hiện gia tăng không phải trả giá cho các yêu cầu chiến thuật thông thường đối với khả năng phân giải phạm vi tối thiểu nhất định. Trước tình hình này, các nhà thiết kế ống radar đã buộc phải tập trung vào việc tăng cường sức mạnh cực đại của các ống của họ, vì các cân nhắc chiến thuật đã không cho phép mở rộng phạm vi phát hiện bằng cách tăng công suất trung bình bằng xung truyền rộng hơn. Kết quả là, trong nhiều tình huống, các ống công suất cao đang được sử dụng không hiệu quả khi có liên quan đến công suất trung bình. Để bù đắp cho sự kém hiệu quả này, các kỹ sư đã phát triển các kỹ thuật tích hợp sau phát hiện để mở rộng phạm vi phát hiện ra radar. Những kỹ thuật này cũng dẫn đến sự thiếu hiệu quả hơn nữa khi sử dụng tổng công suất trung bình khả dụng được xem xét.

Ở đây không rõ 'yêu cầu chiến thuật' đang bị đe dọa ở đây là gì và tại sao và làm thế nào chúng ảnh hưởng đến cả độ rộng xung, công suất trung bình và yêu cầu công suất cao nhất trên hệ thống.

Các bằng sáng chế của Dicke và Darlington giúp phần nào xác định vấn đề là gì, đặc biệt với các tham chiếu phát ra ăng-ten như là một giới hạn về công suất cực đại của xung radar cả bên trong bộ khuếch đại cũng như các yếu tố đầu ra đi sau nó. (Điều này trái ngược với trường hợp CPA quang học, trong đó vấn đề là phương tiện khuếch đại laser có ngưỡng cường độ cao hơn các hiệu ứng phi tuyến như tự lấy nét và dây tóc bằng laser sẽ phá hủy môi trường khuếch đại, nhưng hoàn toàn ổn khi chiếu các xung cường độ cao vào gương hoặc các phần tử 'đầu ra' khác.) Tuy nhiên, đề cập của Cook vào một ngày sau đó về các yêu cầu cụ thể về cả công suất cực đại và công suất trung bình khiến tôi nghi ngờ rằng có nhiều điều đang diễn ra ở đây mà tôi không thấy rõ.

Để gói lại những nhầm lẫn này vào một số câu hỏi cụ thể hơn:

• Những yêu cầu cụ thể nào về sức mạnh cực đại và trung bình và độ rộng của các xung radar được chirped-radar thiết kế để khắc phục? Đây có phải là những mối quan tâm hoàn toàn 'nội bộ' liên quan đến thiết bị điện tử, hoặc có những mục tiêu và hạn chế bên ngoài khó đáp ứng khác không?
• Cái tên 'khuếch đại xung chirped' có từng được sử dụng trong bối cảnh radar không?
• Là CPA kiểu quang học - kéo dài, khuếch đại, nén và sau đó sử dụng xung - hoàn toàn được sử dụng trong các ứng dụng radar hoặc trong các lĩnh vực điện tử rộng lớn hơn?

Tôi không phải là một chuyên gia radar bằng mọi cách, nhưng tôi nghĩ rằng tôi hiểu rõ các khái niệm chung đủ để cố gắng trả lời câu hỏi của bạn.

Những yêu cầu cụ thể nào về sức mạnh cực đại và trung bình và độ rộng của các xung radar được chirped-radar thiết kế để khắc phục? Đây có phải là những mối quan tâm hoàn toàn 'nội bộ' liên quan đến thiết bị điện tử, hoặc có những mục tiêu và hạn chế bên ngoài khó đáp ứng khác không?

Vấn đề cơ bản trong radar là để có được cả công suất phù hợp cho tổng phạm vi và độ phân giải thời gian tốt cho độ phân giải phạm vi. Thật khó để xây dựng các bộ khuếch đại công suất cao cho tần số vi sóng. Bạn muốn có nhiều năng lượng trong mỗi xung truyền đi, nhưng bạn cũng muốn giữ cho xung ngắn. Giải pháp, như bạn đã tìm thấy trong quang học, là kéo dài xung bằng cách phát ra âm thanh, cho phép bộ khuếch đại công suất hoạt động ở công suất thấp hơn trong thời gian dài hơn để có cùng năng lượng xung.

Bây giờ, trong radar, sẽ không có vấn đề gì nếu bạn không nén xung lại trước khi đưa nó vào ăng-ten - xung chir hoạt động giống như xung nén về mặt phát hiện vật thể.

Trên thực tế, bạn có được các lợi thế bổ sung khi các phản xạ trở lại, bởi vì bây giờ bạn có thể khuếch đại tín hiệu chirped trong máy thu (nhận được một số lợi thế tương tự như trong bộ khuếch đại máy phát về công suất cực đại đến trung bình) và bạn có thể sử dụng "Bộ lọc phù hợp" để nén xung ngay trước khi phát hiện, có lợi thế bổ sung là loại bỏ rất nhiều nguồn nhiễu tiềm năng. Các xung hẹp phát ra từ bộ lọc máy thu cung cấp cho bạn độ phân giải thời gian bạn cần.

Cái tên 'khuếch đại xung chirped' có từng được sử dụng trong bối cảnh radar không?

Nói chung là không, bởi vì khuếch đại không phải là lý do duy nhất mà tiếng kêu được sử dụng.

Là CPA kiểu quang học - kéo dài, khuếch đại, nén và sau đó sử dụng xung - hoàn toàn được sử dụng trong các ứng dụng radar hoặc trong các lĩnh vực điện tử rộng lớn hơn?

Không phải kiến ​​thức của tôi, nhưng nó chắc chắn sẽ khả thi.

Yêu cầu chiến thuật mà Cook đang nói đến là phát hiện mục tiêu đáng tin cậy trong tiếng ồn và gây nhiễu, đây là vấn đề phát hiện và giải quyết mục tiêu đáng tin cậy chống lại bối cảnh mạch lạc, đây là vấn đề phân biệt đối xử.

Trong một radar xung thông thường, hai vấn đề này được giải quyết bằng cách tăng năng lượng xung và giảm độ rộng xung. Xung ngắn hơn có cơ hội tốt hơn để được nhìn thấy bởi bản thân hơn là một lâu hơn khi nhiều mục tiêu có mặt cùng một lúc và kể từ khi đầu ra bộ lọc phù hợp tỷ lệ tín hiệu-to-noise không phụ thuộc vào hình dạng xung và là tối đa trong tất cả các tiếng ồn có thể lọc các vấn đề chiến thuật được giải quyết bằng cách có tín hiệu radar sao cho bộ lọc phù hợp của nó có độ dài càng ngắn càng tốt để nhiều mục tiêu trả về được phân tách kịp thời. Vì vậy, đối với hiệu suất của radar, vấn đề không phải là xung radar là gì mà là những gì xảy ra sau khi xung dội lại từ bộ lọc phù hợp của nó. Do biên độ đầu ra của bộ lọc phù hợpvà do đó SNR của nó, tỷ lệ thuận với năng lượng xung truyền mà chúng ta có thể điều khiển, điều chế, những gì chúng ta truyền và đạt được hiệu suất chiến thuật tương tự miễn là SNR nhận được và độ dài xung của bộ lọc phù hợp là như nhau.

Do hiệu suất phụ thuộc vào năng lượng truyền và không phụ thuộc vào công suất phát, và tất cả các máy phát radar đều bị giới hạn công suất, nên các nhà thiết kế radar không bao giờ cố ý sử dụng điều chế biên độ và tất cả điều chế xung là tần số pha hoặc tần số. Một điển hình và lâu đời nhất trong một radar xung thông thường là radar chirp nhưng có nhiều sơ đồ điều chế pha hoặc tần số khác. Mặc dù chirp là loại lâu đời nhất và đơn giản nhất về mặt khái niệm, nhưng đối với các radar rất nhạy thì hiếm khi được sử dụng. Lý do cho điều đó là đầu ra của bộ lọc phù hợp cho radar chirp tạo ra một đầu ra (cái gọi là sidelobes thời gian) từ đỉnh mong muốn của nó có biên độ cao hơn và thời gian (đổ chuông) lâu hơn đôi khi là mong muốn. Mức "đổ chuông" cấp cao này ngăn chặn việc phân biệt các mục tiêu nhỏ hơn bằng đầu ra của mục tiêu lớn hơn gần nó.