Frecuencia de repetición de pulsos

Un sistema de radar determina el alcance a través del retardo de tiempo entre la transmisión y la recepción del pulso mediante la siguiente relación:

${\displaystyle {\text{Rango}}={\frac {c\tau }{2}}}$

Para una determinación precisa del alcance, se debe transmitir y reflejar un pulso antes de que se transmita el siguiente. Esto da lugar al límite máximo de alcance inequívoco:

${\displaystyle {\text{Rango máximo}}={\frac {c\tau _{\text{PRT}}}{2}}={\frac {c}{2\,{\text{PRF}}}}\qquad {\begin{cases}\tau _{\text{PRT}}={\frac {1}{\text{PRF}}}\end{cases}}}$

El alcance máximo también define una ambigüedad de alcance para todos los objetivos detectados. Debido a la naturaleza periódica de los sistemas de radar pulsado, algunos sistemas de radar no pueden determinar la diferencia entre objetivos separados por múltiplos enteros del alcance máximo utilizando una única PRF. Los sistemas de radar más sofisticados evitan este problema mediante el uso de múltiples PRF, ya sea simultáneamente en diferentes frecuencias o en una sola frecuencia con un PRT variable.

El proceso de resolución de ambigüedad de rango se utiliza para identificar el rango real cuando el PRF está por encima de este límite.

Los sistemas que utilizan una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) inferior a 3  kHz se consideran de baja PRF porque el alcance directo se puede medir a una distancia de al menos 50  km. Los sistemas de radar que utilizan una baja PRF suelen producir un alcance inequívoco.

El procesamiento Doppler inequívoco se convierte en un desafío cada vez mayor debido a las limitaciones de coherencia cuando la frecuencia de repetición de pulsos (PRF) cae por debajo de 3  kHz.

Por ejemplo, un radar de banda L con  una frecuencia de pulso de 500 Hz produce una velocidad ambigua superior a 75  m/s (170 millas/hora), mientras que detecta un alcance real de hasta 300  km. Esta combinación es apropiada para radares de aeronaves civiles y radares meteorológicos .

${\displaystyle {\text{Alcance de 300 km}}={\frac {C}{2\times 500}}}$

${\displaystyle {\text{velocidad de 75 m/s}}={\frac {500\times C}{2\times 10^{9}}}}$

Los radares de baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) presentan una sensibilidad reducida ante la presencia de interferencias de baja velocidad que dificultan la detección de aeronaves cerca del terreno. Generalmente, se requiere un indicador de objetivo móvil para un rendimiento aceptable cerca del terreno, pero esto genera problemas de distorsión de la señal del radar que complican el receptor. Los radares de baja PRF, diseñados para la detección de aeronaves y naves espaciales, se ven gravemente afectados por fenómenos meteorológicos, lo cual no puede compensarse con un indicador de objetivo móvil.

Tanto el alcance como la velocidad pueden identificarse mediante una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media, pero no directamente. La PRF media abarca desde 3  kHz hasta 30  kHz, lo que corresponde a un alcance de radar de entre 5  km y 50  km. Este es el alcance ambiguo, mucho menor que el alcance máximo. La resolución de la ambigüedad de alcance se utiliza para determinar el alcance real en radares con PRF media.

El radar Doppler pulsado de frecuencia media se utiliza con este tipo de radar , que es necesario para la capacidad de detección y ataque en sistemas militares. La señal de retorno del radar Doppler generalmente no es ambigua hasta que la velocidad supera la del sonido.

Se requiere una técnica denominada resolución de ambigüedad para identificar el alcance y la velocidad reales. Las señales Doppler se encuentran entre 1,5  kHz y 15  kHz, frecuencia audible, por lo que las señales de audio de los sistemas de radar de frecuencia de repetición de pulsos media pueden utilizarse para la clasificación pasiva de objetivos.

Por ejemplo, un sistema de radar de banda L  que utiliza una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de 10 kHz con un ciclo de trabajo del 3,3 % puede identificar el alcance real hasta una distancia de 450  km (30 * C / 10 000  km/s). Este es el alcance instrumentado . La velocidad inequívoca es de 1500  m/s (3300 millas/hora).

${\displaystyle {\text{450 km}}={\frac {C}{0.033\times 2\times 10,000}}}$

${\displaystyle {\text{1,500 m/s}}={\frac {10,000\times C}{2\times 10^{9}}}}$

La velocidad inequívoca de un radar de banda L  con una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de 10 kHz sería de 1500  m/s (3300 millas/hora) (10 000 x C / (2 x 10⁹)). La velocidad real se puede calcular para objetos que se mueven a menos de 45 000  m/s si el filtro de paso de banda permite el paso de la señal (1500/0,033).

La frecuencia de repetición de pulsos media (PRF) presenta problemas únicos de ondulación del radar que requieren esquemas de detección redundantes.

Los sistemas que utilizan una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) superior a 30  kHz funcionan mejor como radares de onda continua interrumpida (ICW, por sus siglas en inglés) porque la velocidad directa se puede medir hasta 4,5  km/s en la banda L , pero la resolución de alcance se vuelve más difícil.

La alta frecuencia de repetición de pulsos (PRF) se limita a sistemas que requieren un rendimiento a corta distancia, como los fusibles de proximidad y los radares policiales .

Por ejemplo, si se toman 30 muestras durante la fase de reposo entre pulsos de transmisión utilizando una frecuencia de repetición  de pulsos (PRF) de 30 kHz, se puede determinar el alcance real hasta un máximo de 150  km utilizando muestras de 1 microsegundo (30 x C / 30 000  km/s). Es posible detectar reflectores más allá de este alcance, pero no se puede determinar su alcance real.

${\displaystyle {\text{150 km}}={\frac {30\times C}{2\times 30,000}}}$

${\displaystyle {\text{4,500 m/s}}={\frac {30,000\times C}{2\times 10^{9}}}}$

Resulta cada vez más difícil tomar múltiples muestras entre pulsos de transmisión a estas frecuencias de pulso, por lo que las mediciones de alcance se limitan a distancias cortas. ^{[ 3 ]}

Los sistemas de sonar funcionan de forma muy similar al radar, con la diferencia de que el medio es líquido o aire, y la frecuencia de la señal es de audio o ultrasónica. Al igual que el radar, las frecuencias bajas propagan energías relativamente más altas a mayores distancias, pero con menor capacidad de resolución. Las frecuencias más altas, que se atenúan más rápidamente, proporcionan una mayor resolución de los objetos cercanos.

Las señales se propagan a la velocidad del sonido en el medio (casi siempre agua), y la frecuencia de repetición de pulsos (PRF) máxima depende del tamaño del objeto examinado. Por ejemplo, la velocidad del sonido en el agua es de 1497  m/s, y el cuerpo humano tiene un grosor aproximado de 0,5 m, por lo que la PRF para imágenes de ultrasonido del cuerpo humano debería ser inferior a unos 2  kHz (1497/0,5).

Otro ejemplo: la profundidad del océano es de aproximadamente 2  km, por lo que el sonido tarda más de un segundo en regresar desde el fondo marino. Por esta razón, el sonar es una tecnología muy lenta con una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) muy baja.

Las ondas de luz pueden utilizarse como frecuencias de radar, en cuyo caso el sistema se conoce como lidar. Estas siglas significan "detección y localización por luz" (Light Detection And Ranging, por sus siglas en inglés), similar al significado original de "RADAR", que significaba "detección y localización por radio" (Radio Detection And Ranging, por sus siglas en inglés). Ambas se han convertido en palabras de uso común en inglés y, por lo tanto, son acrónimos en lugar de siglas.

Los telémetros láser u otros telémetros de frecuencia de señal luminosa funcionan igual que un radar, pero a frecuencias mucho más altas. La detección de luz no láser se utiliza ampliamente en sistemas de control de maquinaria automatizada (por ejemplo, fotocélulas que controlan la puerta de un garaje, compuertas de clasificación de cintas transportadoras, etc.), y aquellos que utilizan detección y medición de distancia por frecuencia de pulso son, en esencia, el mismo tipo de sistema que un radar , pero sin las características adicionales de la interfaz humana.

A diferencia de las frecuencias de señal de radio más bajas, la luz no se curva siguiendo la trayectoria de la Tierra ni se refleja en la ionosfera como las señales de radar de búsqueda de banda C, por lo que el lidar solo es útil en aplicaciones de línea de visión, como los sistemas de radar de mayor frecuencia.