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§5.27 A equação de radar completo: ruído, perdas e detecção

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Do poder de eco à detecção

A equação de radar simplificada de Lei quadrada inversa diz-te quanta energia volta. Mas um radar não detecta na potência — detecta na diferença entre eco e ruído. Cada receptor gera ruído próprio, e um eco só é útil uma vez que ele sobe suficientemente acima dele. A quantidade decisiva é, por conseguinte, relação sinal/ruído (SNR).

O ruído do receptor decorre da física do calor: os elétrons movem-se aleatoriamente, produzindo uma potência sonora proporcional à temperatura e largura de banda:

N = k × T0 × B × F k = constante de Boltzmann (1.38 × 10⁻²³ J/K), T0 = 290 K (temperatura de referência) B = largura de banda do receptor (Hz), F = valor sonoro: quanto ruído o próprio receptor adicionaregra do polegar: k × T0 = -174 dBm por Hz de largura de banda

Defina eco contra ruído e resolva para distância, e você começa a equação de radar na forma que designers e analistas realmente usam — a intervalo máximo de detecção:

Rmax = ⁴√[ (Pt × G² × λ² × σ) / ((4π)³ × k × T0 × B × F × L × SNRmin) ] L = todas as perdas combinadas (Perdas e flutuações), SNRmin = SNR necessário para a probabilidade de detecção exigida

Os novos termos no denominador importam tanto quanto a potência do transmissor no numerador:

Pela EW especialista

Aqui é exatamente onde a interferência ataca: um bloqueador não levanta o eco, mas o ruído no denominador. Assim que o ruído no receptor sobe, Rmax encolhe com a quarta raiz. A J/S razão de Queimaduras e J/S razão é nada mais do que esta equação com uma fonte de ruído extra adicionada.

Perdas e flutuações

Na prática, nenhum radar atinge o seu alcance teórico. Todas as imperfeições são inseridas em um único fator de perda L, que em dB é simplesmente somado. Os principais pontos:

PerdaCausaOrdem de grandeza
Perda de transmissãoguias de onda, articulação rotativa, duplexer — para fora e para trás1 – 3 dB
Atenuação atmosféricaabsorção por oxigénio e vapor de água; aumentos com frequência e gamade negligenciável (banda L) a muitos dB (banda Ka, chuva)
Perda de forma do feixeo alvo nem sempre está no centro da viga~1.5 – 2 dB
Perda de processamentofiltros não ideais, CFAR (Limiar, taxa de alarme falso constante e controle de ganho automático), digitalização1 – 3 dB
Perda de flutuaçãoo alvo RCS salta da varredura para a varreduraem P elevadod facilmente 5 – 10 dB

Essa última perda precisa de ser explicada. A RCS (Secção transversal do radar) de uma aeronave real não é um número fixo: pequenas mudanças de aspecto fazem os reflexos de fuselagem, asas e entradas de motor alternadamente reforçar e cancelar uns aos outros. O eco flutuações. A descrição clássica deste é o Modelos giratórios: de um alvo estável (Swerling 0) para alvos que mostram um RCS por scan (Swerling I/III) ou por pulso (Swerling II/IV). Um alvo flutuante precisa de mais média SNR para a mesma probabilidade de detecção, pois o radar pode capturá-lo em uma ¿trilha¿.

Uma solução é diversidade de frequências: o radar funciona em duas (ou mais) frequências ao mesmo tempo, com dois transmissores compartilhando a mesma antena através de uma diplexer (Casegraína, alimentação monopulsa e duplexer). Em uma frequência diferente o padrão de reflexão sai de forma diferente, então a chance de que o alvo se senta em um vale em ambas as frequências ao mesmo tempo é pequena. A agilidade da frequência pulso-a-pulso dá o mesmo efeito (PRI modulação).

Pela EW especialista

A diversidade de frequências é também uma EPM (Introdução): um bloqueador de ponto que interrompe uma frequência deixa o segundo canal intocado. An ESM operador que vê duas emissões simultâneas com idêntico PRF e scan provavelmente está olhando para um radar com dois canais — Não em dois radares.

Dwell time, hits per scan e integração

Um radar de vigilância rotativo ilumina um alvo apenas brevemente: contanto que o feixe o atravesse. Isso. dwell time e o número de pulsos que atingiram o alvo durante o mesmo — a hits per scan — seguir diretamente da largura do feixe, da taxa de rotação e PRF:

tdwell = θB / ω     n = θB × PRF / ω = θB × PRF / (6 × rpm) B = Largura de feixe horizontal (graus), ω = taxa de rotação (graus por segundo), rpm = rotações por minuto
Exemplo

Um radar de vigilância com ΔB = 1,5°, 12 rpm (72° por segundo) e PRF = 1.000 Hz. Dwell time = 1.5 / 72 ≈ 20.8 ms; hits per scan ≈ 20.8 × 1 ≈ 21 pulsações.

Esses pulsos estão adicionados: integração de impulsos (Compressão de pulso e integração de pulso). Com integração coerente (a fase é preservada, O transmissor: do magnetron ao estado sólido) SNR cresce pelo factor n — 21 pulsos dão bem mais de 13 dB de ganho. Com integração não coerente o ganho é menor, aproximadamente n0,8É por isso que a equação do radar de pulso único é demasiado pessimista: um radar real detecta na soma de muitos ataques.

O outro lado é um trade-off duro: girando mais lentamente dá mais hits e, portanto, mais alcance, mas refresca a imagem do ar menos frequentemente. Um radar de alerta precoce (Características do alerta precoce (EW) radar) portanto gira lentamente e olha para longe; um radar de aproximação gira rápido e olha perto.

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A dwell time determina quanto tempo RWR ou ESM receptor (Receptor de aviso de radar (RWR)) vê o feixe principal: o curto "blip" por revolução. A partir do tempo entre dois blips o operador deriva o taxa de varredura, do comprimento do blip a largura do feixe — juntamente com PRF e frequência, características que dão o tipo de radar. E um bloqueador que só funciona no feixe principal tem apenas aquele dwell time por scan para ter um efeito.

Calcule você mesmo: intervalo de detecção

A calculadora abaixo mostra como cada escolha de design funciona. Tente, por exemplo, reduzir o RCS de 1 m² (fighter from the front) a 0,01 m² (stealth): o intervalo cai por um fator 4100 ≈ 3.2 — Não por um factor 100.

Intervalo máximo de detecção: 53.1 km

Com os valores predefinidos (100 kW, 35 dB, banda S, 1 m², 1 MHz, 3 dB, 6 dB, 13 dB) o radar atinge cerca de 53 km — para uma única pulsação. Adicionar o ganho de integração Dwell time, hits per scan e integração (inferior ao exigido SNR por esse ganho) e o alcance se move consideravelmente. O piso de ruído deste receptor está em torno de -141 dBW: o eco que o radar tem que encontrar é menor que um bilionésimo de um bilionésimo de um watt.

Outras leituras

Radartutorial.eu (Christian Wolff) trabalha através da derivação da equação do radar, as perdas e cálculos do modelo passo a passo: equação do radar e hits per scan.