Какие ограничения мощности были предназначены для преодоления ЛЧМ?

Усиление чирпированных импульсов (CPA) - это метод оптики, лауреат Нобелевской премии по физике 2018 года, который используется для создания коротких лазерных импульсов с интенсивностями, достаточно высокими, чтобы усиливающая среда разрушала себя посредством нелинейных явлений, если бы она пыталась усилить Импульс напрямую, вставив усилитель между импульсным натяжителем и компрессором.

В оптике распространенным фольклором является то, что этот метод изначально был разработан для усиления радиолокационных сигналов где-то на ранних этапах истории электроники, и в некотором смысле имеет смысл, что если у вас есть хрупкий ламповый усилитель или что-то подобное, вы можете поменять оптические дифракционные решетки для соответственно диспергирующих микроволновых волноводов или чего-либо еще, что они использовали в шестидесятых, и это сделало бы чудеса, чтобы защитить чувствительную электронику от жарки.

Чтобы попытаться выйти за рамки этого смутного понимания, я попытался понять, какие именно проблемы радиолокационного усиления были целью первоначальной работы по растяжению-усилению-сжатию (я не уверен, использовалось ли название CPA во время его разработки даже если она действительно использовалась для описания таких систем в контексте электроники), для чего она использовалась в электронике, когда она сделала прыжок в оптику в 1985 году, и в целом, какова история ее развития. Тем не менее, есть несколько неровностей, в которых я не уверен, и я надеюсь, что этот SE - хорошее место, чтобы спросить о них.

Оригинальная бумага CPA,

Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов. Д. Стрикленд и Г. Муру. Оптика связи. 55 , 447 (1985) .

признает, что метод аналогичен решениям, которые уже используются в радарах, и отправляет читателя в обзор для начинающих

РЛС с фазированной решеткой. Э. Брукнер. Scientific American 252 , февраль 1985 г., стр. 94-102. ,

но это немного библиографический тупик, поскольку на него нет ссылок. В частности, меня поражает тот факт, что методы имеют существенные различия.

• В оптике мы хотим иметь короткий импульс и хотим сделать его сильным. Это тогда позволяет нам исследовать нелинейные оптические явления, которые могут достигать довольно экстремальных степеней . Это означает, что нам нужно сжать пульс, прежде чем мы используем его, чтобы делать то, к чему мы стремимся.

• С другой стороны, в описании Стрикленда и Брукнера ясно, что электроника действительно заботится только о сжатии импульса непосредственно перед его окончательным анализом, и что система совершенно счастлива, излучая несжатый импульс для взаимодействия с любыми плоскостями или «грейпфрутом». металлические объекты », и после этого делают сжатие.

Эта точка зрения подчеркивается более доступным докладом Рочестера,

LLE Обзор , квартальный отчет, октябрь-декабрь 1985 . Лаборатория лазерной энергетики, Рочестер, Нью-Йорк. §3B, с. 42-46 .

Пытаясь углубиться в детали, я немного запутался. Википедия направляет заинтересованного читателя к обзору 1960 года, после того как технология была рассекречена,

Импульсное сжатие - ключ к более эффективной радиолокационной передаче. CE Cook. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

но я изо всех сил пытаюсь понять, какие проблемы они пытались решить. Из введения Кука,

В большинстве случаев потребность в увеличении дальности обнаружения не была в ущерб нормальным тактическим требованиям для определенного минимального диапазона разрешающей способности по дальности. Столкнувшись с этой ситуацией, разработчики радиолокационных трубок были вынуждены сконцентрироваться на повышении пиковых мощностей своих трубок, поскольку тактические соображения не позволили расширить диапазоны обнаружения за счет увеличения средней мощности с помощью более широкого передаваемого импульса. Как следствие, во многих ситуациях мощные трубки используются неэффективно, что касается средней мощности. Чтобы компенсировать эту неэффективность, инженеры разработали методы интеграции после обнаружения для расширения радиолокационного диапазона обнаружения. Эти методы также приводят к дальнейшей неэффективности, поскольку учитывается использование общей доступной средней мощности.

Здесь не ясно, какие «тактические требования» здесь поставлены на карту, и почему и как они влияют как на ширину импульса, на среднюю мощность, так и на пиковые требования к мощности в системе.

Патенты Дика и Дарлингтона в некоторой степени помогают установить, в чем заключалась проблема, особенно в том, что касается упоминания об искрения на антеннах в качестве ограничения пиковой мощности импульса радара как внутри усилителя, так и выходных элементов, которые идут после него. (Это отличается от случая оптического CPA, где проблема заключается в том, что лазерные усиливающие среды имеют порог интенсивности, выше которого нелинейные эффекты, такие как самофокусировка и лазерная филаментация разрушит среду усиления, но совершенно нормально излучать импульсы высокой интенсивности на зеркалах или других подобных «выходных» элементах.) Однако упоминание Кука позднее о конкретных требованиях как к пиковой мощности, так и к средней мощности заставляет меня подозревать что здесь происходит нечто большее, что я не вижу ясно.

Чтобы заключить эту путаницу в некоторые более конкретные вопросы:

• Какие конкретные требования к пиковым и средним значениям мощности и ширине радиолокационных импульсов были предназначены для чирпированных радиолокаторов? Были ли это чисто «внутренние» проблемы, связанные с электроникой, или были внешние цели и ограничения, с которыми было трудно справиться иначе?
• Используется ли когда-либо название «усиление чирпированного импульса» в контексте радара?
• Использует ли CPA в оптическом стиле - растягивать, усиливать, сжимать, а затем использовать импульс - вообще использовать в радиолокации или в более широких областях электроники?

Я ни в коем случае не специалист по радиолокации, но думаю, что достаточно хорошо понимаю общие концепции, чтобы попытаться ответить на ваши вопросы.

Какие конкретные требования к пиковым и средним значениям мощности и ширине радиолокационных импульсов были предназначены для чирпированных радиолокаторов? Были ли это чисто «внутренние» проблемы, связанные с электроникой, или были внешние цели и ограничения, с которыми было трудно справиться иначе?

Основная проблема в радаре - получить как достаточную мощность для общего диапазона, так и хорошее временное разрешение для диапазона. Трудно построить мощные усилители для микроволновых частот. Вы хотите, чтобы в каждом передаваемом импульсе было много энергии, но вы также хотите, чтобы импульс был коротким. Решение, как вы нашли в оптике, состоит в том, чтобы растянуть импульс, щебетая его, что позволяет усилителю мощности работать при более низкой мощности в течение более длительного времени, чтобы получить ту же энергию импульса.

Теперь в радаре не имеет значения, если вы не сожмете импульс снова перед подачей его на антенну - чирпированный импульс работает так же хорошо, как и сжатый импульс с точки зрения обнаружения объектов.

Фактически, вы получаете дополнительные преимущества, когда отраженные сигналы возвращаются, потому что теперь вы можете усилить чирпированный сигнал в приемнике (получая некоторые из тех же преимуществ, что и в усилителе передатчика в отношении пиковой и средней мощности), и вы можете использовать «согласованный фильтр» для сжатия импульса непосредственно перед обнаружением, что имеет дополнительное преимущество, заключающееся в отбраковке множества потенциальных источников помех. Узкие импульсы, выходящие из фильтра приемника, дают вам необходимое временное разрешение.

Используется ли когда-либо название «усиление чирпированного импульса» в контексте радара?

Как правило, нет, потому что усиление - не единственная причина, по которой используется щебетание.

Использует ли CPA в оптическом стиле - растягивать, усиливать, сжимать, а затем использовать импульс - вообще использовать в радиолокации или в более широких областях электроники?

Не насколько мне известно, но это, безусловно, было бы возможно.

Тактическое требование, о котором говорит Кук, - это надежное обнаружение цели при помехах и помехах, это проблема обнаружения, и надежное разрешение цели на согласованном фоне, это проблема дискриминации.

В обычном импульсном радаре эти две проблемы решаются путем увеличения энергии импульса и уменьшения ширины импульса. Более короткий импульс имеет больше шансов увидеть сам по себе, чем более длинный, если одновременно присутствуют несколько целей, и поскольку отношение сигнал-шум выходного сигнала согласованного фильтра не зависит от формы импульса и является максимальным среди всех возможных шумовых фильтров, тактическая проблема решается наличием радиолокационного сигнала таким образом, чтобы его согласованный фильтр имел как можно более короткую длину, чтобы множественные возвраты цели были хорошо разделены во времени. Таким образом, для работы радара важно не то, что является импульсом радара, а что происходит после того, как отраженный импульс выходит из согласованного фильтра. Поскольку выходная амплитуда согласованного фильтраи, следовательно, его SNR, пропорционально энергии передаваемого импульса, мы можем манипулировать, модулировать то, что мы передаем, и достигать тех же тактических характеристик, пока полученное SNR и длительность импульса после согласованного фильтра одинаковы.

Поскольку рабочие характеристики зависят от энергии передачи и не зависят от мощности передачи, а все радиолокационные передатчики ограничены по мощности, разработчики радиолокаторов никогда не используют преднамеренно амплитудную модуляцию, а вся внутриимпульсная модуляция является либо фазовой, либо частотной. Типичным и самым старым в обычном импульсном РЛС является ЛЧМ-РЛС, но существует много других схем частотной или фазовой модуляции. В то время как ЛЧМ является самым старым и концептуально самым простым, для очень чувствительных радаров он используется редко. Причина этого заключается в том, что выходной сигнал согласованного фильтра для ЛЧМ-радиолокатора генерирует выходной сигнал (так называемые боковые лепестки времени) от его желаемого пика, который выше по амплитуде и дольше по времени (звонит), чем иногда желательно. Этот высокий уровень «звонка» предотвращает различение более мелких целей по выходу более крупной цели, которая находится рядом с ней.