Chirped Pulse Amplification (CPA) ist ein optisches Verfahren, das 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde und dazu dient, kurze Laserpulse mit einer Intensität zu erzeugen, die hoch genug ist, dass sich das Verstärkungsmedium durch nichtlineare Phänomene selbst zerstören würde, wenn es versuchen würde, die zu verstärken Puls direkt, indem der Verstärker zwischen einem Pulsstrecker und einem Kompressor angeordnet wird.
In der Optik ist es allgemein verbreitet, dass die Technik ursprünglich zur Verstärkung von Radarsignalen irgendwo in den Anfängen der Elektronikgeschichte entwickelt wurde, und es macht irgendwie Sinn, dass Sie, wenn Sie einen zerbrechlichen Vakuumröhrenverstärker oder so etwas haben, den austauschen können optische Beugungsgitter für entsprechend dispersive Mikrowellenwellenleiter oder was auch immer sie in den sechziger Jahren verwendeten, und es würde Wunder bewirken, empfindliche Elektronik vor dem Braten zu schützen.
Um zu versuchen, über dieses vage Verständnis hinauszugehen, habe ich versucht, mir genau anzusehen, welche Probleme der Radarverstärkung das Ziel der ursprünglichen Dehnungs-Verstärkungs-Kompressionsarbeit waren (ich bin mir nicht sicher, ob der Name CPA bereits während seiner Entwicklung verwendet wurde , auch wenn es wirklich zur Beschreibung solcher Systeme im Elektronikkontext verwendet wird), wofür es in der Elektronik verwendet wurde, als es 1985 den Sprung in die Optik schaffte, und allgemeiner, was die Geschichte seiner Entwicklung ist. Es gibt jedoch ein paar Ecken und Kanten, bei denen ich mir nicht so sicher bin, und ich hoffe, dass diese SE ein guter Ort ist, um danach zu fragen.
Das ursprüngliche CPA-Papier,
Kompression verstärkter gechirpter optischer Pulse. D. Strickland und G. Mourou. Optik Comms. 55 , 447 (1985) .
erkennt an, dass die Technik analog zu Lösungen ist, die damals bereits im Radar verwendet wurden, und schickt den Leser zu einer anfängerfreundlichen Überprüfung hinein
Phased-Array-Radar. E. Bächner. Scientific American 252 , Februar 1985, S. 94-102. .
aber das ist ein bisschen wie eine bibliographische Sackgasse, da es keine Referenzen hat. Vor allem fällt mir auf, dass die Techniken deutliche Unterschiede aufweisen.
In der Optik wollen wir einen kurzen Puls haben und ihn stark machen. Dies ermöglicht uns dann, nichtlineare optische Phänomene zu untersuchen, die ziemlich extreme Ausmaße annehmen können . Das bedeutet, dass wir den Puls komprimieren müssen, bevor wir ihn verwenden, um das zu tun, was wir erreichen wollen.
In der Beschreibung von Strickland und Brookner wird andererseits klar, dass sich die Elektronik nur wirklich darum kümmert, den Puls kurz vor seiner endgültigen Analyse zu komprimieren, und dass das System vollkommen zufrieden damit ist, den unkomprimierten Puls auszustrahlen, um mit beliebigen Flugzeugen oder „Grapefruits“ zu interagieren -große metallische Objekte da draußen sind und die Komprimierung danach durchführen.
Diese Ansicht wird durch einen zugänglicheren Rochester-Bericht unterstrichen,
LLE Review , Quartalsbericht, Oktober-Dezember 1985 . Labor für Laser-Energetik, Rochester, NY. §3B, S. 42-46 .
Beim Versuch, ein bisschen mehr ins Detail zu gehen, bin ich etwas verwirrter. Wikipedia verweist den interessierten Leser auf eine Übersicht aus dem Jahr 1960, nachdem die Technologie freigegeben wurde,
Impulskomprimierung – Schlüssel für eine effizientere Radarübertragung. CE Koch. Proz. IRE 48 , 310 (1960) .
aber ich habe Mühe zu verstehen, was die Probleme waren, die sie zu lösen versuchten. Aus Cooks Einführung,
In den meisten Fällen ging die Forderung nach einer erhöhten Erfassungsreichweite nicht zu Lasten der normalen taktischen Anforderungen für ein bestimmtes Mindestmaß an Entfernungsauflösungsvermögen. Angesichts dieser Situation waren Radarröhrenkonstrukteure gezwungen, sich darauf zu konzentrieren, die Spitzenleistungen ihrer Röhren zu erhöhen, da die taktischen Überlegungen es nicht erlaubten, Reichweiten durch eine Erhöhung der mittleren Leistung mittels eines breiteren Sendepulses zu erweitern. Infolgedessen werden Hochleistungsröhren in vielen Situationen ineffizient eingesetzt, was die Durchschnittsleistung anbelangt. Um diese Ineffizienz auszugleichen, haben Ingenieure Integrationstechniken nach der Erkennung entwickelt, um den Radarerkennungsbereich zu erweitern. Diese Techniken führen auch zu weiteren Ineffizienzen, soweit die Verwendung der gesamten verfügbaren Durchschnittsleistung berücksichtigt wird.
Es ist hier nicht klar, welche „taktischen Anforderungen“ hier auf dem Spiel stehen und warum und wie sie sowohl die Impulsbreite, die durchschnittliche Leistung als auch die Spitzenleistungsanforderungen an das System beeinflussen.
Die Patente von Dicke und Darlington helfen etwas bei der Feststellung des Problems, insbesondere mit den Hinweisen auf Funkenbildung an den Antennen als Begrenzung der Spitzenleistung des Radarimpulses sowohl innerhalb des Verstärkers als auch der darauf folgenden Ausgangselemente. (Dies steht im Gegensatz zum optischen CPA-Fall, bei dem das Problem darin besteht, dass Laserverstärkungsmedien eine Intensitätsschwelle haben, über der nichtlineare Effekte wie Selbstfokussierung und Laserfilamentbildung auftretenwird das Verstärkungsmedium zerstören, aber es ist völlig in Ordnung, hochintensive Impulse auf Spiegel oder andere solche "Ausgangs" -Elemente zu strahlen.) Cooks spätere Erwähnung spezifischer Anforderungen sowohl an die Spitzenleistung als auch an die Durchschnittsleistung macht mich jedoch verdächtig dass hier noch mehr vor sich geht, was ich nicht klar sehe.
Um diesen Haufen Verwirrung in einige konkretere Fragen zu packen:
Ich bin keineswegs ein Radarexperte, aber ich glaube, ich verstehe die allgemeinen Konzepte gut genug, um zu versuchen, Ihre Fragen zu beantworten.
Welche spezifischen Anforderungen an die Spitzen- und Durchschnittsleistungen und die Breiten von Radarimpulsen sollte das Chirp-Radar erfüllen? Waren das rein „interne“ Bedenken bezüglich der Elektronik, oder gab es externe Ziele und Restriktionen, die sonst nur schwer zu erfüllen waren?
Das Grundproblem beim Radar besteht darin, sowohl eine angemessene Leistung für die Gesamtreichweite als auch eine gute Zeitauflösung für die Entfernungsauflösung zu erhalten. Es ist schwierig, Hochleistungsverstärker für Mikrowellenfrequenzen zu bauen. Sie möchten in jedem gesendeten Impuls viel Energie haben, aber Sie möchten den Impuls auch kurz halten. Die Lösung besteht, wie Sie in der Optik gefunden haben, darin, den Impuls durch Zwitschern zu strecken, wodurch der Leistungsverstärker länger mit niedrigerer Leistung arbeiten kann, um die gleiche Impulsenergie zu erhalten.
Beim Radar spielt es keine Rolle, ob Sie den Impuls nicht erneut komprimieren, bevor Sie ihn der Antenne zuführen – der Chirp-Impuls funktioniert genauso gut wie der komprimierte Impuls, um Objekte zu erkennen.
Tatsächlich gewinnen Sie zusätzliche Vorteile, wenn die Reflexionen zurückkommen, denn jetzt können Sie das gechirpte Signal im Empfänger verstärken (was einige der gleichen Vorteile wie im Senderverstärker hinsichtlich der Spitzen-zu-Durchschnittsleistung bietet), und Sie können a verwenden "matched filter", um den Impuls kurz vor der Erkennung zu komprimieren, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass auch viele potenzielle Störquellen zurückgewiesen werden. Die schmalen Pulse, die aus dem Empfängerfilter kommen, geben Ihnen die Zeitauflösung, die Sie brauchen.
Wird der Name "gechirpte Impulsverstärkung" jemals in einem Radarkontext verwendet?
Im Allgemeinen nicht, da die Verstärkung nicht der einzige Grund ist, warum Zwitschern verwendet wird.
Wird der CPA im Optikstil – dehnen, verstärken, komprimieren und dann den Impuls verwenden – überhaupt in Radaranwendungen oder in breiteren Elektronikbereichen verwendet?
Meines Wissens nicht, aber machbar wäre es auf jeden Fall.
Die taktischen Anforderungen, von denen Cook spricht, sind eine zuverlässige Zielerkennung bei Rauschen und Störungen, das ist das Problem der Erkennung, und eine zuverlässige Zielauflösung vor kohärentem Hintergrund, das ist das Problem der Diskriminierung.
Bei einem herkömmlichen Impulsradar werden diese beiden Probleme durch erhöhte Impulsenergie und verringerte Impulsbreite gelöst. Der kürzere Puls hat eine bessere Chance, von sich aus gesehen zu werden als ein längerer, wenn mehrere Ziele gleichzeitig vorhanden sind, und da das Signal-Rausch-Verhältnis des angepassten Filterausgangssignals unabhängig von der Pulsform ist und unter allen möglichen Rauschfiltern maximal ist, ist das taktische Problem wird dadurch gelöst, dass ein Radarsignal so vorhanden ist, dass sein angepasstes Filter eine Länge hat, die so kurz wie möglich ist, sodass mehrere Zielechos zeitlich gut getrennt sind. Für die Radarleistung kommt es also nicht darauf an, was der Radarimpuls ist, sondern was passiert, nachdem der Echoimpuls sein angepasstes Filter verlässt. Da die Ausgangsamplitude des angepassten Filters, und damit sein SNR, ist proportional zur gesendeten Impulsenergie, die wir manipulieren, modulieren können, was wir senden und die gleiche taktische Leistung erreichen, solange das empfangene SNR und die Impulslänge nach dem angepassten Filter gleich sind.
Da die Leistung von der Sendeenergie abhängt und von der Sendeleistung unabhängig ist und alle Radarsender leistungsbegrenzt sind, verwenden Radardesigner niemals absichtlich Amplitudenmodulation, und alle Intra-Puls-Modulationen sind entweder Phasen- oder Frequenzmodulationen. Ein typisches und ältestes herkömmliches Pulsradar ist das Chirp-Radar, aber es gibt viele andere Frequenz- oder Phasenmodulationsschemata. Während Chirp das älteste und konzeptionell einfachste ist, wird es für sehr empfindliche Radargeräte selten verwendet. Der Grund dafür ist, dass die Ausgabe des angepassten Filters für ein Chirp-Radar eine Ausgabe entfernt (sogenannte Zeitnebenkeulen) von ihrer gewünschten Spitze erzeugt, die eine höhere Amplitude und eine längere Zeit (Klingeln) aufweist, als manchmal wünschenswert ist. Dieses "Klingeln" auf hohem Niveau verhindert das Unterscheiden kleinerer Ziele durch die Ausgabe eines größeren Ziels, das sich in der Nähe befindet.
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