Frecuencia de repetición de pulsos

La frecuencia de repetición de pulsos ( PRF ) es el número de pulsos de una señal repetitiva en una unidad de tiempo específica. El término se utiliza en diversas disciplinas técnicas, en particular en el radar .

En el radar, una señal de radio de una frecuencia portadora particular se enciende y se apaga; el término "frecuencia" se refiere a la portadora, mientras que la PRF se refiere al número de cambios. Ambos se miden en términos de ciclo por segundo o hercios . La PRF normalmente es mucho menor que la frecuencia. Por ejemplo, un radar típico de la Segunda Guerra Mundial como el radar Tipo 7 GCI tenía una frecuencia portadora básica de 209 MHz (209 millones de ciclos por segundo) y una PRF de 300 o 500 pulsos por segundo. Una medida relacionada es el ancho de pulso , la cantidad de tiempo que el transmisor está encendido durante cada pulso.

Después de producir un breve pulso de señal de radio, el transmisor se apaga para que las unidades receptoras detecten los reflejos de esa señal en objetivos distantes. Dado que la señal de radio tiene que viajar hasta el objetivo y volver, el período de silencio entre pulsos requerido es una función del alcance deseado del radar. Se requieren períodos más largos para señales de mayor alcance, lo que requiere PRF más bajos. Por el contrario, los PRF más altos producen alcances máximos más cortos, pero transmiten más pulsos y, por lo tanto, energía de radio, en un tiempo determinado. Esto crea reflejos más fuertes que facilitan la detección. Los sistemas de radar deben equilibrar estos dos requisitos en pugna.

En los sistemas electrónicos más antiguos, las frecuencias de pulso de referencia (PRF) se fijaban generalmente en un valor específico o podían cambiarse entre un conjunto limitado de valores posibles. Esto proporciona a cada sistema de radar una PRF característica, que puede utilizarse en la guerra electrónica para identificar el tipo o la clase de una plataforma en particular, como un barco o un avión, o en algunos casos, una unidad en particular. Los receptores de alerta de radar en los aviones incluyen una biblioteca de PRF comunes que pueden identificar no solo el tipo de radar, sino también, en algunos casos, el modo de funcionamiento. Esto permitía a los pilotos recibir una advertencia cuando una batería de SAM SA-2 se había "bloqueado", por ejemplo. Los sistemas de radar modernos generalmente pueden cambiar suavemente su PRF, ancho de pulso y frecuencia portadora, lo que hace que la identificación sea mucho más difícil.

Los sistemas de sonar y lidar también tienen frecuencias de repetición de pulsos (PRF), al igual que cualquier sistema pulsado. En el caso del sonar, el término frecuencia de repetición de pulsos ( PRR ) es más común, aunque se refiere al mismo concepto.

Las ondas electromagnéticas (por ejemplo, de radio o de luz) son conceptualmente fenómenos de frecuencia única pura, mientras que los pulsos pueden considerarse matemáticamente como compuestos de una serie de frecuencias puras que se suman y anulan en interacciones que crean un tren de pulsos de amplitudes específicas, PRR, frecuencias base, características de fase, etc. (consulte Análisis de Fourier ). El primer término (PRF) es más común en la literatura técnica de dispositivos ( ingeniería eléctrica y algunas ciencias), y el último (PRR) se usa más comúnmente en la terminología militar-aeroespacial (especialmente terminologías de las fuerzas armadas de los Estados Unidos) y especificaciones de equipos como manuales de capacitación y técnicos para sistemas de radar y sonar.

El recíproco de PRF (o PRR) se denomina tiempo de repetición de pulso ( PRT ), intervalo de repetición de pulso ( PRI ) o período entre pulsos ( IPP ), que es el tiempo transcurrido desde el comienzo de un pulso hasta el comienzo del siguiente. El término IPP se utiliza normalmente para referirse a la cantidad de períodos PRT que se deben procesar digitalmente. Cada PRT tiene un número fijo de puertas de rango, pero no se utilizan todas. Por ejemplo, el radar APY-1 utilizó 128 IPP con 50 puertas de rango fijas, lo que produjo 128 filtros Doppler utilizando una FFT. El número diferente de puertas de rango en cada uno de los cinco PRF es menor que 50.

Dentro de la tecnología de radar, la PRF es importante ya que determina el alcance máximo del objetivo ( R _max ) y la velocidad Doppler máxima ( V _max ) que puede determinar con precisión el radar. ^[1] Por el contrario, una PRR/PRF alta puede mejorar la discriminación del objetivo de objetos más cercanos, como un periscopio o un misil de movimiento rápido. Esto conduce al uso de PRR bajas para radares de búsqueda y PRF muy altas para radares de control de tiro. Muchos radares de doble propósito y de navegación, especialmente diseños navales con PRR variables, permiten a un operador experto ajustar la PRR para mejorar y aclarar la imagen del radar, por ejemplo, en malos estados del mar donde la acción de las olas genera falsos retornos y, en general, para menos desorden, o quizás una mejor señal de retorno de una característica destacada del paisaje (por ejemplo, un acantilado).

La frecuencia de repetición de pulsos (PRF) es el número de veces que ocurre una actividad pulsada cada segundo.

Esto es similar al ciclo por segundo utilizado para describir otros tipos de formas de onda.

La PRF es inversamente proporcional al período de tiempo , que es una propiedad de una onda pulsada.${\displaystyle \mathrm {T}}$

${\displaystyle \mathrm {T} ={\frac {1}{\text{FRP}}}}$

La PRF generalmente se asocia con el espaciado del pulso, que es la distancia que recorre el pulso antes de que se produzca el siguiente pulso.

${\displaystyle {\text{Espaciado de pulsos}}={\frac {\text{Velocidad de propagación}}{\text{PRF}}}}$

La PRF es crucial para realizar mediciones de ciertos fenómenos físicos.

Por ejemplo, un tacómetro puede utilizar una luz estroboscópica con una frecuencia de pulso ajustable para medir la velocidad de rotación. La frecuencia de pulso de la luz estroboscópica se ajusta hacia arriba desde un valor bajo hasta que el objeto giratorio parezca estar quieto. La frecuencia de pulso del tacómetro coincidiría entonces con la velocidad del objeto giratorio.

Otros tipos de mediciones involucran la distancia utilizando el tiempo de retardo de los pulsos de eco reflejados de las transmisiones de luz, microondas y sonido.

La PRF es crucial para los sistemas y dispositivos que miden la distancia.

• Radar
• Telémetro láser
• Sonar

Diferentes PRF permiten que los sistemas realicen funciones muy diferentes.

Un sistema de radar utiliza una señal electromagnética de radiofrecuencia reflejada desde un objetivo para determinar información sobre ese objetivo.

Para el funcionamiento del radar se requiere la frecuencia de pulsos (PRF) . Esta es la velocidad a la que se envían los pulsos del transmisor al aire o al espacio.

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

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

Para determinar con precisión el alcance, es necesario transmitir y reflejar un pulso antes de transmitir el siguiente. Esto da lugar al límite de alcance máximo 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, es imposible para algunos sistemas de radar determinar la diferencia entre objetivos separados por múltiplos enteros del alcance máximo utilizando un único 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 única frecuencia con un PRT cambiante.

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

Los sistemas que utilizan frecuencias de pulso inferiores a 3 kHz se consideran de frecuencia de pulso baja porque el alcance directo se puede medir a una distancia de al menos 50 km. Los sistemas de radar que utilizan frecuencias de pulso baja suelen producir un alcance inequívoco.

El procesamiento Doppler inequívoco se convierte en un desafío cada vez mayor debido a las limitaciones de coherencia a medida que la PRF cae por debajo de los 3 kHz.

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

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

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

Los radares con baja frecuencia de pulsos (PRF) tienen una sensibilidad reducida en presencia de interferencias de baja velocidad que interfieren con la detección de aeronaves cerca del terreno. Por lo general, se requiere un indicador de objetivo móvil para un rendimiento aceptable cerca del terreno, pero esto genera problemas de ondulación del radar que complican el funcionamiento del receptor. Los radares con baja frecuencia de pulsos (PRF) diseñados para la detección de aeronaves y naves espaciales se degradan considerablemente debido a fenómenos meteorológicos, que no se pueden compensar con un indicador de objetivo móvil.

Tanto el alcance como la velocidad se pueden identificar mediante la frecuencia de pulsos media, pero no se puede identificar ninguno de ellos directamente. La frecuencia de pulsos media va de 3 kHz a 30 kHz, lo que corresponde a un alcance de radar de entre 5 km y 50 km. Este es el alcance ambiguo, que es mucho menor que el alcance máximo. La resolución de ambigüedad de alcance se utiliza para determinar el alcance real en el radar de frecuencia de pulsos media.

La frecuencia de pulsos media se utiliza con el radar Doppler de pulso , que es necesario para la capacidad de observación y derribo en sistemas militares. El retorno del radar Doppler generalmente no es ambiguo hasta que la velocidad excede la velocidad del sonido.

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

Por ejemplo, un sistema de radar de banda L que utiliza una frecuencia de pulso 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).

${\displaystyle {\text{450 km}}={\frac {C}{0,033\times 2\times 10 000}}}$

${\displaystyle {\text{1.500 m/s}}={\frac {10.000\veces C}{2\veces 10^{9}}}}$

La velocidad inequívoca de un radar de banda L que utiliza una frecuencia de pulso de 10 kHz sería de 1500 m/s (3300 millas/hora) (10 000 x C / (2 x 10^9)). La velocidad real se puede determinar para objetos que se mueven a menos de 45 000 m/s si el filtro de paso de banda admite la señal (1500/0,033).

La PRF media tiene problemas únicos de propagación del radar que requieren esquemas de detección redundantes.

Los sistemas que utilizan PRF por encima de 30 kHz funcionan mejor conocidos como radar de onda continua interrumpida (ICW) porque la velocidad directa se puede medir hasta 4,5 km/s en la banda L , pero la resolución del alcance se vuelve más difícil.

La PRF alta está limitada a sistemas que requieren un rendimiento a corta distancia, como espoletas de proximidad y radares policiales .

Por ejemplo, si se toman 30 muestras durante la fase de reposo entre pulsos de transmisión utilizando una frecuencia de pulso de 30 kHz, entonces se puede determinar el alcance real hasta un máximo de 150 km utilizando muestras de 1 microsegundo (30 x C / 30 000 km/s). Los reflectores más allá de este rango pueden ser detectables, pero no se puede identificar el alcance real.

${\displaystyle {\text{150 km}}={\frac {30\veces C}{2\veces 30.000}}}$

${\displaystyle {\text{4.500 m/s}}={\frac {30.000\veces C}{2\veces 10^{9}}}}$

Se hace cada vez más difícil tomar múltiples muestras entre pulsos de transmisión en estas frecuencias de pulso, por lo que las mediciones de rango se limitan a distancias cortas. ^[2]

Los sistemas de sonar funcionan de forma muy similar a los radares, salvo que el medio es líquido o aire y la frecuencia de la señal es de audio o ultrasónica. Al igual que en el radar, las frecuencias más bajas propagan energías relativamente más altas a distancias más largas y con una capacidad de resolución menor. Las frecuencias más altas, que se amortiguan más rápido, 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 pulso máxima depende del tamaño del objeto que se examina. Por ejemplo, la velocidad del sonido en el agua es de 1497 m/s y el cuerpo humano tiene un grosor de aproximadamente 0,5 m, por lo que la frecuencia de pulso para las imágenes de ultrasonido del cuerpo humano debe 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 este motivo, el sonar es una tecnología muy lenta con una frecuencia de pulso muy baja.

Las ondas de luz se pueden utilizar como frecuencias de radar, en cuyo caso el sistema se conoce como lidar. Esta es la abreviatura de "LIght Detection And Ranging", similar al significado original de la sigla "RADAR", que significaba RAdio Detection And Ranging. Desde entonces, ambas se han convertido en palabras inglesas de uso común y, por lo tanto, son acrónimos en lugar de siglas.

Los telémetros láser u otros telémetros de frecuencia de señales luminosas funcionan como un radar a frecuencias mucho más altas. La detección de luz sin láser se utiliza ampliamente en sistemas de control de máquinas automatizadas (por ejemplo, ojos eléctricos que controlan una puerta de garaje, puertas 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, sin las funciones adicionales de la interfaz humana.

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

• Radar
• Radar de pulso Doppler
• Radar meteorológico