Quais limitações de energia foram projetadas para superar o radar chirped?

A Amplificação de Pulso Chirped (CPA) é uma técnica óptica, ganhadora do Prêmio Nobel de 2018 em física, que é usada para produzir pulsos de laser curtos a intensidades altas o suficiente para que o meio de ganho se destrua por fenômenos não lineares se tentar amplificar o pulsar diretamente, imprensando o amplificador entre uma maca de pulso e um compressor.

É um folclore comum na ótica que a técnica foi desenvolvida originalmente para amplificação de sinais de radar em algum lugar nos primeiros momentos da história da eletrônica, e meio que faz sentido que, se você tiver um amplificador de tubo de vácuo frágil ou algo assim, possa trocar o grades de difração óptica para guias de ondas de microondas apropriadamente dispersivos, ou o que quer que eles usassem nos anos sessenta, e faria maravilhas para proteger eletrônicos sensíveis da fritura.

Para tentar ir além desse entendimento vago, tentei examinar exatamente quais problemas de amplificação de radar eram o alvo do trabalho original de esticar-amplificar-comprimir (não tenho certeza se o nome CPA já estava em uso durante seu desenvolvimento , mesmo que seja realmente usado para descrever esses sistemas em um contexto eletrônico), para o que foi usado na eletrônica quando deu o salto para a ótica em 1985 e, mais geralmente, qual é a história de seu desenvolvimento. No entanto, existem algumas arestas que eu não tenho tanta certeza e espero que este SE seja um bom lugar para perguntar sobre eles.

O documento original do CPA,

Compressão de pulsos ópticos chilrear amplificados. D. Strickland e G. Mourou. Comunicações ópticas. 55 , 447 (1985) .

reconhece que a técnica é análoga às soluções já em uso no radar e envia o leitor para uma revisão amigável para iniciantes em

Radares de fases. E. Brookner. Scientific American 252 , fevereiro de 1985, pp. 94-102. .

mas esse é um beco sem saída bibliográfico, pois não tem referências. Em particular, estou impressionado com o fato de que as técnicas têm diferenças significativas.

• Em óptica, queremos ter um pulso curto e queremos fortalecê-lo. Isso nos permite investigar fenômenos ópticos não lineares, que podem atingir graus bastante extremos . Isso significa que precisamos comprimir o pulso antes de usá-lo para fazer o que queremos atingir.

• Na descrição de Strickland e Brookner, por outro lado, é claro que os eletrônicos realmente se preocupam em comprimir o pulso imediatamente antes de sua análise final, e que o sistema está perfeitamente satisfeito em enviar o pulso não compactado para interagir com quaisquer planos ou toranjas. objetos metálicos de tamanho grande estão lá fora, fazendo a compressão depois.

Essa visão é enfatizada por um relatório de Rochester mais acessível,

LLE Review , Quarterly Report, outubro-dezembro de 1985 . Laboratório de Laser Energética, Rochester, NY. §3B, pp. 42-46 .

Tentando entrar um pouco mais em detalhes, fico um pouco mais confuso. A Wikipedia refere o leitor interessado a uma revisão de 1960, após a desclassificação da tecnologia,

Chave de compressão de pulso para uma transmissão de radar mais eficiente. Cozinheiro CE. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .

mas estou lutando para entender quais eram os problemas que eles estavam tentando resolver. Desde a introdução de Cook,

Na maioria dos casos, a demanda por maior alcance de detecção não custa às exigências táticas normais de uma certa quantidade mínima de capacidade de resolução de alcance. Diante dessa situação, os projetistas de tubos de radar foram forçados a se concentrar no aumento da potência de pico de seus tubos, uma vez que as considerações táticas não permitiram estender os intervalos de detecção, aumentando a potência média por meio de um pulso transmitido mais amplo. Como conseqüência, em muitas situações, os tubos de alta potência estão sendo usados ​​ineficientemente no que diz respeito à energia média. Para compensar essa ineficiência, os engenheiros desenvolveram técnicas de integração pós-detecção para estender o alcance da detecção de radar. Essas técnicas também levam a outras ineficiências na medida em que o uso da potência média total disponível é levado em consideração.

Não está claro aqui quais 'requisitos táticos' estão em jogo aqui e por que e como eles afetam a largura de pulso, a potência média e os requisitos de potência de pico no sistema.

As patentes de Dicke e Darlington ajudam um pouco a estabelecer qual era o problema, principalmente com as referências a faíscas nas antenas como um limite no pico de potência do pulso do radar, tanto dentro do amplificador quanto nos elementos de saída que o acompanham. (Isso contrasta com o caso de CPA óptico, onde o problema é que a mídia de ganho a laser tem um limiar de intensidade acima do qual efeitos não lineares, como autofoco e filamento a laser destruirá o meio de ganho, mas é perfeitamente bom emitir pulsos de alta intensidade em espelhos ou outros elementos de "saída".) No entanto, a menção de Cook em uma data posterior de requisitos específicos sobre a potência de pico e a potência média me faz suspeitar que há mais coisas acontecendo aqui que eu não estou vendo claramente.

Para resumir esse monte de confusões em algumas perguntas mais concretas:

• Quais requisitos específicos para as potências de pico e média e as larguras dos pulsos de radar foram projetados para superar o chirped-radar? Havia preocupações puramente "internas" em relação aos eletrônicos, ou havia metas e restrições externas difíceis de cumprir de outra maneira?
• O nome 'amplificação de pulso chirped' já foi usado em um contexto de radar?
• O CPA no estilo óptico - esticar, amplificar, comprimir e depois usar o pulso - é usado em aplicações de radar ou em campos eletrônicos mais amplos?

Não sou especialista em radar, mas acho que entendo bem os conceitos gerais o suficiente para tentar responder às suas perguntas.

Quais requisitos específicos para as potências de pico e média e as larguras dos pulsos de radar foram projetados para superar o chirped-radar? Havia preocupações puramente "internas" em relação aos eletrônicos, ou havia metas e restrições externas difíceis de cumprir de outra maneira?

O problema básico no radar é obter energia adequada para o alcance total e boa resolução de temporização para a resolução do alcance. É difícil construir amplificadores de alta potência para frequências de microondas. Você deseja ter muita energia em cada pulso transmitido, mas também deseja manter o pulso curto. A solução, como você encontrou na óptica, é esticar o pulso cantando-o, o que permite que o amplificador de potência opere com uma potência menor por mais tempo para obter a mesma energia de pulso.

Agora, no radar, não importa se você não comprime o pulso novamente antes de alimentá-lo na antena - o pulso chirped funciona tão bem quanto o pulso compactado em termos de detecção de objetos.

De fato, você ganha vantagens adicionais quando as reflexões retornam, porque agora você pode amplificar o sinal sonoro no receptor (obtendo algumas das mesmas vantagens que no amplificador do transmissor em relação à potência de pico à média) e pode usar um "filtro combinado" para comprimir o pulso imediatamente antes da detecção, o que tem a vantagem adicional de rejeitar muitas fontes potenciais de interferência. Os pulsos estreitos que saem do filtro do receptor fornecem a resolução de tempo necessária.

O nome 'amplificação de pulso chirped' já foi usado em um contexto de radar?

Geralmente não, porque a amplificação não é a única razão pela qual o chilrear é usado.

O CPA no estilo óptico - esticar, amplificar, comprimir e depois usar o pulso - é usado em aplicações de radar ou em campos eletrônicos mais amplos?

Não que eu saiba, mas certamente seria viável.

O requisito tático sobre o qual Cook está falando é a detecção confiável de alvos em ruídos e bloqueios, este é o problema de detecção e a resolução confiável de alvos em um contexto coerente; esse é o problema da discriminação.

Em um radar de pulso convencional, esses dois problemas são resolvidos pelo aumento da energia do pulso e redução da largura do pulso. O pulso mais curto tem uma chance melhor de ser visto por si só do que um mais longo quando vários alvos estão presentes simultaneamente e uma vez que a relação sinal-ruído da saída do filtro correspondente é independente da forma do pulso e é máxima entre todos os filtros de ruído possíveis, o problema tático é resolvido com um sinal de radar, de modo que o filtro correspondente tenha um comprimento o mais curto possível, para que vários retornos de destino sejam bem separados no tempo. Portanto, para o desempenho do radar, o que importa não é o pulso do radar, mas o que acontece depois que o pulso ecoado sai do filtro correspondente. Como a amplitude de saída do filtro correspondentee, portanto, seu SNR, é proporcional à energia de pulso transmitida que podemos manipular, modular, o que transmitimos e obter o mesmo desempenho tático, desde que o SNR recebido e o comprimento de pulso do filtro pós-igual sejam os mesmos.

Como o desempenho depende da energia de transmissão e é independente da energia de transmissão, e todos os transmissores de radar são limitados em termos de energia, os projetistas de radar nunca usam intencionalmente a modulação de amplitude e toda a modulação intra-pulso é fase ou frequência. Um típico e o mais antigo em um radar de pulso convencional é o chirp radar, mas existem muitos outros esquemas de modulação de frequência ou fase. Embora o chirp seja o mais antigo e conceitualmente o mais simples, para radares muito sensíveis, ele raramente é usado. A razão para isso é que a saída do filtro correspondente a um radar chirp gera uma saída (os chamados lóbulos de tempo) do pico desejado que é mais alto em amplitude e mais longo no tempo (toque) do que às vezes é desejável. Esse alto nível de "toque" impede a discriminação de alvos menores pela saída de um alvo maior que está próximo a ele.