啁啾雷达旨在克服哪些功率限制?

电器工程 放大器 历史 雷达
2022-01-20 02:37:51

啁啾脉冲放大(CPA) 是一种光学技术,获得 2018 年诺贝尔物理学奖,用于产生强度足够高的短激光脉冲,如果增益介质试图放大增益介质会通过非线性现象破坏自身直接脉冲,通过将放大器夹在脉冲展宽器和压缩器之间。

光学中的常见民间传说是,该技术最初是在电子历史早期的某个地方开发用于放大雷达信号的,如果你有一个易碎的真空管放大器或其他东西,你可以换掉它,这是有道理的。用于适当分散的微波波导的光学衍射光栅,或者他们在 60 年代使用的任何东西,它会为保护敏感的电子设备免受油炸创造奇迹。

为了试图超越这种模糊的理解,我试图看看雷达放大的哪些问题是最初的拉伸-放大-压缩工作的目标(我不确定 CPA 这个名称是否在其开发过程中已经使用,即使它是否真的用于在电子环境中描述此类系统),当它在 1985 年跳转到光学时它在电子学中的用途,以及更广泛地说它的发展历史是什么。但是,有一些我不太确定的粗糙边缘,我希望这个 SE 是一个询问它们的好地方。

原注册会计师论文,

压缩放大的啁啾光脉冲。D. Strickland 和 G. Mourou。光学通讯。 55 , 447 (1985)

承认该技术类似于当时已经在雷达中使用的解决方案,并且它将读者发送给初学者友好的评论

相控阵雷达。E.布鲁克纳。《科学美国人》 252,1985年 2 月,第 94-102 页。.

但这有点书目死胡同,因为它没有参考文献。特别是,我对这些技术存在显着差异这一事实感到震惊。

  • 在光学中,我们想要一个短脉冲并且我们想要让它变得更强。然后,这使我们能够研究非线性光学现象,它可以达到一些非常极端的程度这意味着我们需要先压缩脉冲,然后再使用它来做我们想做的任何事情。

  • 另一方面,在 Strickland 和 Brookner 的描述中,很明显,电子设备只真正关心在其最终分析之前压缩脉冲,并且系统非常乐意将未压缩的脉冲发射出去以与任何平面或“葡萄柚”相互作用大小的金属物体在那里,然后进行压缩。

更易于理解的罗切斯特报告强调了这一观点,

LLE 评论,季度报告,1985 年 10 月至 12 月激光能量学实验室,纽约州罗切斯特。§3B,第 42-46 页

试图更详细一点,我有点困惑。维基百科让感兴趣的读者参考 1960 年的评论,在技术被解密后,

脉冲压缩——提高雷达传输效率的关键。CE厨师。过程。IRE 48 , 310 (1960)

但我很难理解他们试图解决的问题是什么。从库克的介绍中,

在大多数情况下,增加探测距离的需求并没有以正常的战术要求为代价,即对某个最小距离分辨能力的要求。面对这种情况,雷达管设计人员不得不集中精力提高管的峰值功率,因为​​战术考虑不允许通过更宽的发射脉冲增加平均功率来扩大探测范围。因此,在许多情况下,就平均功率而言,高功率电子管的使用效率很低。为了弥补这种低效率,工程师们开发了检测后集成技术来扩展雷达检测范围。就总可用平均功率的使用而言,这些技术还导致进一步的低效率。

目前尚不清楚这里有哪些“战术要求”,以及它们为什么以及如何影响系统的脉冲宽度、平均功率和峰值功率要求。

DickeDarlington的专利在一定程度上有助于确定问题所在,特别是提到天线上的火花作为对放大器内部以及之后的输出元件的雷达脉冲峰值功率的限制。(这与光学 CPA 情况形成对比,其中问题是激光增益介质具有强度阈值,高于该阈值的非线性效应,如自聚焦激光丝状会破坏增益介质,但在镜子或其他此类“输出”元件上照射高强度脉冲是完全可以的。)但是,库克后来提到对峰值功率和平均功率的具体要求让我怀疑这里还有更多我看不清楚的事情。

将这一系列困惑总结为一些更具体的问题:

  • 啁啾雷达旨在克服对峰值和平均功率以及雷达脉冲宽度的哪些具体要求?这些纯粹是关于电子设备的“内部”问题,还是存在难以满足的外部目标和限制?
  • “啁啾脉冲放大”这个名字曾经在雷达环境中使用过吗?
  • 光学式 CPA - 拉伸、放大、压缩然后使用脉冲 - 是否完全用于雷达应用或更广泛的电子领域?
2个回答

无论如何,我都不是雷达专家,但我认为我对一般概念的理解足以尝试回答您的问题。

啁啾雷达旨在克服对峰值和平均功率以及雷达脉冲宽度的哪些具体要求?这些纯粹是关于电子设备的“内部”问题,还是存在难以满足的外部目标和限制?

雷达的基本问题是为总距离获得足够的功率和为距离分辨率获得良好的时间分辨率。很难为微波频率构建高功率放大器。您希望在每个传输的脉冲中都有大量能量,但您也希望保持脉冲短。正如您在光学中发现的那样,解决方案是通过啁啾来拉伸脉冲,这允许功率放大器在较低功率下运行更长的时间,以获得相同的脉冲能量。

现在,在雷达中,在将脉冲馈送到天线之前是否再次压缩脉冲并不重要——啁啾脉冲在检测物体方面与压缩脉冲一样有效。

事实上,当反射回来时,您可以获得额外的优势,因为现在您可以放大接收器中的啁啾信号(在峰均功率方面获得与发射器放大器相同的一些优势),并且您可以使用“匹配滤波器”在检测之前压缩脉冲,它还有一个额外的优点是可以抑制很多潜在的干扰源。来自接收器滤波器的窄脉冲为您提供所需的时间分辨率。

“啁啾脉冲放大”这个名字曾经在雷达环境中使用过吗?

通常不会,因为放大并不是使用啁啾的唯一原因。

光学式 CPA - 拉伸、放大、压缩然后使用脉冲 - 是否完全用于雷达应用或更广泛的电子领域?

据我所知,这肯定是可行的。

库克所说的战术要求是在噪声和干扰中可靠的目标检测,这是检测的问题,以及在相干背景下可靠的目标分辨率,这是辨别的问题。

在传统的脉冲雷达中,这两个问题通过增加脉冲能量和减小脉冲宽度来解决。当多个目标同时存在时,较短的脉冲比较长的脉冲更容易被自己看到,并且由于匹配滤波器输出信噪比与脉冲形状无关,并且在所有可能的噪声滤波器中最大,因此战术问题通过使用雷达信号来解决,使其匹配滤波器的长度尽可能短,以便多个目标返回在时间上得到很好的分离。因此,对于雷达性能而言,重要的不是雷达脉冲是什么,而是回波脉冲从其匹配滤波器中出来后会发生什么。由于匹配滤波器的输出幅度,因此它的 SNR 与我们可以操纵、调制的发射脉冲能量成正比,只要接收到的 SNR匹配后的滤波器脉冲长度相同,我们就可以发射并实现相同的战术性能。

由于性能取决于发射能量并且与发射功率无关,并且所有雷达发射器都受到功率限制,因此雷达设计人员从不有意使用幅度调制,所有脉冲内调制都是相位或频率。传统脉冲雷达中一个典型且最古老的是啁啾雷达,但还有许多其他频率或相位调制方案。虽然啁啾是最古老且概念上最简单的,但对于非常敏感的雷达来说,它很少使用。其原因在于,啁啾雷达的匹配滤波器的输出会产生一个远离其所需峰值的输出(所谓的时间旁瓣),该峰值的幅度和时间(振铃)比有时所需的要高。这种高水平的“振铃”防止通过靠近它的较大目标的输出来区分较小的目标。