Quali limiti di potenza è stato progettato per superare il radar cinguettio?

Chirped Pulse Amplification (CPA) è una tecnica ottica, vincitrice del premio Nobel 2018 per la fisica, che viene utilizzata per produrre brevi impulsi laser a intensità sufficientemente elevate da consentire al mezzo di guadagno di distruggersi attraverso fenomeni non lineari se tentasse di amplificare il pulsare direttamente, inserendo l'amplificatore tra una barella a impulsi e un compressore.

È un folklore comune nell'ottica che la tecnica sia stata originariamente sviluppata per l'amplificazione dei segnali radar da qualche parte nelle prime fasi della storia dell'elettronica, e ha un senso che se hai un fragile amplificatore a valvole sotto vuoto o qualcosa del genere, puoi scambiare il reticoli di diffrazione ottica per guide d'onda a microonde opportunamente dispersive, o qualunque cosa usassero negli anni sessanta, e farebbe miracoli per proteggere l'elettronica sensibile dalla frittura.

Per cercare di andare oltre quella vaga comprensione, ho cercato di dare un'occhiata esattamente a quali problemi di amplificazione radar erano l'obiettivo del lavoro originale di estensione-amplificazione-compressione (non sono sicuro se il nome CPA fosse già in uso durante il suo sviluppo , anche se è realmente utilizzato per descrivere tali sistemi in un contesto elettronico), a cosa è stato utilizzato in elettronica quando ha fatto il salto nell'ottica nel 1985, e più in generale quale sia la storia del suo sviluppo. Tuttavia, ci sono alcuni spigoli di cui non sono così sicuro e spero che questo SE sia un buon posto per chiedere di loro.

Il documento CPA originale,

Compressione di impulsi ottici cinguettati amplificati. D. Strickland e G. Mourou. Comunicazioni ottiche. 55 , 447 (1985) .

riconosce che la tecnica è analoga alle soluzioni allora già in uso nel radar e invia il lettore a una recensione per principianti in

Radar a fasi. E. Brookner. Scientific American 252 , febbraio 1985, pagg. 94-102. .

ma questo è un po 'un vicolo cieco bibliografico in quanto non ha riferimenti. In particolare, sono colpito dal fatto che le tecniche abbiano differenze significative.

• In ottica, vogliamo avere un impulso breve e vogliamo renderlo forte. Questo ci consente quindi di studiare i fenomeni ottici non lineari, che possono raggiungere livelli abbastanza estremi . Questo significa che dobbiamo comprimere l'impulso prima di usarlo per fare qualunque cosa vogliamo alzare.

• Nella descrizione di Strickland e Brookner, d'altra parte, è chiaro che l'elettronica si preoccupa davvero solo di comprimere l'impulso proprio prima della sua analisi finale e che il sistema è perfettamente felice di trasmettere l'impulso non compresso per interagire con qualsiasi piano o 'pompelmo oggetti metallici di dimensioni "sono là fuori e fanno la compressione in seguito.

Questo punto di vista è sottolineato da un rapporto Rochester più accessibile,

Revisione LLE , relazione trimestrale, ottobre-dicembre 1985 . Laboratorio di Laser Energetics, Rochester, NY. §3B, pagg. 42-46 .

Cercando di approfondire un po 'i dettagli, mi confondo un po' di più. Wikipedia rimanda il lettore interessato a una recensione del 1960, dopo che la tecnologia era stata declassificata,

Chiave a compressione di impulsi per una trasmissione radar più efficiente. CE Cook. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

ma faccio fatica a capire quali fossero i problemi che stavano cercando di risolvere. Dall'introduzione di Cook,

Nella maggior parte dei casi, la richiesta di un maggiore raggio di rilevamento non è stata a scapito dei normali requisiti tattici per una certa quantità minima di capacità di risoluzione del raggio. Di fronte a questa situazione, i progettisti di tubi radar sono stati costretti a concentrarsi sull'aumento delle potenze di picco dei loro tubi, poiché le considerazioni tattiche non hanno permesso di estendere i campi di rilevamento aumentando la potenza media mediante un impulso trasmesso più ampio. Di conseguenza, in molte situazioni i tubi ad alta potenza vengono utilizzati in modo inefficiente per quanto riguarda la potenza media. Per compensare questa inefficienza, gli ingegneri hanno sviluppato tecniche di integrazione post-rilevamento per estendere il raggio di rilevamento del radar. Queste tecniche portano anche a ulteriori inefficienze per quanto riguarda l'utilizzo della potenza media totale disponibile.

Qui non è chiaro quali siano i "requisiti tattici" qui in gioco, e perché e come influenzano sia l'ampiezza dell'impulso, la potenza media, sia i requisiti di potenza di picco sul sistema.

I brevetti di Dicke e Darlington aiutano in qualche modo a stabilire quale fosse il problema, in particolare con i riferimenti allo scintillio delle antenne come limite sulla potenza di picco dell'impulso radar sia all'interno dell'amplificatore che sugli elementi di uscita che lo inseguono. (Ciò è in contrasto con il caso CPA ottico, in cui il problema è che i supporti di guadagno laser hanno una soglia di intensità al di sopra della quale effetti non lineari come la messa a fuoco automatica e la filamento laser distruggerà il mezzo di guadagno, ma è perfettamente bene far brillare impulsi ad alta intensità su specchi o altri elementi di "uscita".) Tuttavia, la menzione di Cook in una data successiva di requisiti specifici sia sulla potenza di picco che sulla potenza media mi fa sospettare che qui sta succedendo di più che non vedo chiaramente.

Per concludere questo gruppo di confusioni in alcune domande più concrete:

• Quali requisiti specifici per il picco e le potenze medie e l'ampiezza degli impulsi radar è stato progettato per superare il chirped radar? Queste preoccupazioni erano puramente "interne" riguardo l'elettronica, o c'erano obiettivi e restrizioni esterni che erano difficili da soddisfare altrimenti?
• Il nome "amplificazione del cinguettio" è mai stato usato in un contesto radar?
• Il CPA in stile ottico - allungare, amplificare, comprimere e quindi utilizzare l'impulso - è utilizzato affatto nelle applicazioni radar o in campi elettronici più ampi?

Non sono un esperto di radar in alcun modo, ma penso di aver capito abbastanza bene i concetti generali per cercare di rispondere alle tue domande.

Quali requisiti specifici per il picco e le potenze medie e l'ampiezza degli impulsi radar è stato progettato per superare il chirped radar? Queste preoccupazioni erano puramente "interne" riguardo l'elettronica, o c'erano obiettivi e restrizioni esterni che erano difficili da soddisfare altrimenti?

Il problema di base nel radar è quello di ottenere sia una potenza adeguata per la portata totale sia una buona risoluzione di temporizzazione per la risoluzione della portata. È difficile costruire amplificatori ad alta potenza per le frequenze delle microonde. Vuoi avere molta energia in ogni impulso trasmesso, ma vuoi anche mantenere l'impulso breve. La soluzione, come hai trovato in ottica, è quella di allungare l'impulso cinguettandolo, che consente all'amplificatore di potenza di funzionare a una potenza inferiore per un tempo più lungo al fine di ottenere la stessa energia dell'impulso.

Ora, nel radar, non importa se non comprimi di nuovo l'impulso prima di inviarlo all'antenna: l'impulso cinguettato funziona altrettanto bene dell'impulso compresso in termini di rilevamento di oggetti.

In effetti, ottieni ulteriori vantaggi quando ritornano i riflessi, perché ora puoi amplificare il segnale cinguettato nel ricevitore (ottenendo alcuni degli stessi vantaggi dell'amplificatore del trasmettitore rispetto alla potenza da picco a media), e puoi usare un "filtro abbinato" per comprimere l'impulso appena prima del rilevamento, il che ha l'ulteriore vantaggio di respingere anche molte potenziali fonti di interferenza. Gli impulsi stretti che escono dal filtro del ricevitore ti danno la risoluzione temporale di cui hai bisogno.

Il nome "amplificazione del cinguettio" è mai stato usato in un contesto radar?

Generalmente no, perché l'amplificazione non è l'unica ragione per cui si usa il cinguettio.

Il CPA in stile ottico - allungare, amplificare, comprimere e quindi utilizzare l'impulso - è utilizzato affatto nelle applicazioni radar o in campi elettronici più ampi?

Non per quanto ne sappia, ma sarebbe certamente fattibile.

I requisiti tattici di cui parla Cook sono il rilevamento affidabile degli obiettivi in ​​termini di rumore e inceppamenti, questo è il problema del rilevamento e la risoluzione affidabile degli obiettivi su sfondo coerente, questo è il problema della discriminazione.

In un radar a impulsi convenzionale questi due problemi sono risolti dall'aumentata energia dell'impulso e dalla ridotta larghezza dell'impulso. L'impulso più corto ha maggiori possibilità di essere visto da solo rispetto a uno più lungo quando sono presenti contemporaneamente più bersagli e poiché il rapporto segnale-rumore in uscita del filtro abbinato è indipendente dalla forma dell'impulso ed è massimo tra tutti i possibili filtri del rumore il problema tattico viene risolto avendo un segnale radar in modo tale che il suo filtro abbinato abbia una lunghezza il più breve possibile in modo che i ritorni target multipli siano ben separati nel tempo. Quindi per le prestazioni del radar ciò che conta non è ciò che è l'impulso del radar, ma ciò che accade dopo che l'impulso ecografico esce dal suo filtro abbinato. Dal momento che l' ampiezza di uscita del filtro abbinato, e quindi il suo SNR, è proporzionale all'energia dell'impulso trasmesso che possiamo manipolare, modulare, ciò che trasmettiamo e ottenere le stesse prestazioni tattiche purché lo SNR ricevuto e la lunghezza dell'impulso del filtro post-corrispondenza siano uguali.

Poiché le prestazioni dipendono dall'energia di trasmissione ed è indipendente dalla potenza di trasmissione e tutti i trasmettitori radar sono limitati dalla potenza, i progettisti radar non usano mai intenzionalmente la modulazione di ampiezza e tutta la modulazione intra-impulso è di fase o frequenza. Un tipico e più antico in un radar a impulsi convenzionale è il chirp radar ma ci sono molti altri schemi di modulazione di frequenza o di fase. Mentre il cinguettio è il più antico e concettualmente il più semplice, per i radar molto sensibili viene usato raramente. La ragione di ciò è che l'output del filtro abbinato per un radar chirp genera un'uscita (i cosiddetti sidelobes temporali) dal suo picco desiderato che è maggiore in ampiezza e più lungo nel tempo (squillo) di quanto talvolta sia desiderabile. Questo "ronzio" di alto livello impedisce di discriminare obiettivi più piccoli dall'uscita di un bersaglio più grande che gli è vicino.