Clutter [1] [2] es un término utilizado para los ecos no deseados en los sistemas electrónicos, particularmente en referencia a los radares . Por lo general, estos ecos provienen de la tierra, el mar, la lluvia, los animales / insectos, la paja y las turbulencias atmosféricas , y pueden causar serios problemas de rendimiento con los sistemas de radar.
Coeficiente de retrodispersión
Lo que una persona considera desorden, otra puede considerarlo un objetivo. Sin embargo, los objetivos generalmente se refieren a dispersores puntuales y el desorden a dispersores extendidos (que cubren muchos rangos, ángulos y celdas Doppler). El desorden puede llenar un volumen (como la lluvia) o limitarse a una superficie (como la tierra). En principio, todo lo que se requiere para estimar el retorno del radar (retrodispersión) de una región de ecos parásitos es conocer el volumen o la superficie iluminada y el eco por unidad de volumen, η, o por unidad de superficie, σ ° (el coeficiente de retrodispersión ).
Radar con ruido limitado o desorden limitado
Además de cualquier posible desorden, siempre habrá ruido. La señal total que compite con el retorno objetivo es, por tanto, desorden más ruido. En la práctica, a menudo no hay desorden o el desorden domina y el ruido se puede ignorar. En el primer caso, se dice que el radar es Noise Limited, en el segundo es Clutter Limited.
Desorden de volumen
La lluvia, el granizo, la nieve y la paja son ejemplos de desorden de volumen. Por ejemplo, suponga un objetivo en el aire, a distancia, está dentro de una tormenta. ¿Cuál es el efecto sobre la detectabilidad del objetivo?
Primero encuentre la magnitud del retorno del desorden. Suponga que el desorden llena la celda que contiene el objetivo, que los dispersores son estadísticamente independientes y que los dispersores se distribuyen uniformemente a través del volumen. El volumen de ruido iluminado por un pulso se puede calcular a partir de los anchos del haz y la duración del pulso, Figura 1. Si c es la velocidad de la luz yes el tiempo de duración del pulso transmitido, entonces el pulso que regresa de un objetivo es equivalente a una extensión física de c, como es el retorno de cualquier elemento individual del desorden. Los anchos de haz de acimut y elevación, en un rango, están y respectivamente, si se supone que la celda iluminada tiene una sección transversal elíptica.
El volumen de la celda iluminada es así:
Para ángulos pequeños, esto se simplifica a:
Se supone que el desorden es una gran cantidad de dispersores independientes que llenan la celda que contiene el objetivo de manera uniforme. El retorno de la perturbación del volumen se calcula como para la ecuación de radar normal , pero la sección transversal del radar se reemplaza por el producto del coeficiente de retrodispersión del volumen,y el volumen de la celda de desorden como se derivó anteriormente. El retorno del desorden es entonces
dónde
- = potencia del transmisor (Watts)
- = ganancia de la antena transmisora
- = apertura efectiva (área) de la antena receptora
- = distancia del radar al objetivo
Se debe hacer una corrección para tener en cuenta el hecho de que la iluminación del desorden no es uniforme en todo el ancho del haz. En la práctica, la forma del haz se aproximará a una función sinc que a su vez se aproxima a una función gaussiana . El factor de corrección se encuentra integrando a lo largo del ancho del haz la aproximación gaussiana de la antena. La potencia retrodispersada corregida es
Se pueden realizar varias sustituciones simplificadoras. La apertura de la antena receptora está relacionada con su ganancia por:
y la ganancia de la antena está relacionada con los dos anchos de haz mediante:
La misma antena se utiliza generalmente tanto para la transmisión como para la recepción, por lo que la potencia de ruido recibida es:
Si la potencia de retorno de desorden es mayor que la potencia de ruido del sistema, entonces el radar está limitado por desorden y la relación señal / desorden debe ser igual o mayor que la relación mínima señal / ruido para que el objetivo sea detectable.
A partir de la ecuación del radar, el retorno del objetivo mismo será
con una expresión resultante para la relación señal / desorden de
La implicación es que cuando el radar está limitado por ruido, la variación de la relación señal / ruido es una cuarta potencia inversa. Reducir a la mitad la distancia hará que la relación señal / ruido aumente (mejore) en un factor de 16. Sin embargo, cuando el radar está limitado por el desorden de volumen, la variación es una ley del cuadrado inverso y reducir a la mitad la distancia hará que la señal mejore el desorden por solo 4 veces.
Desde
resulta que
Se requieren anchos de haz claramente estrechos y pulsos cortos para reducir el efecto del desorden al reducir el volumen de la celda del desorden. Si se utiliza compresión de pulsos, la duración de pulso adecuada que se utilizará en el cálculo es la del pulso comprimido, no el pulso transmitido.
Problemas para calcular la relación entre la señal y el volumen
Un problema con el desorden de volumen, por ejemplo, la lluvia, es que el volumen iluminado puede no estar completamente lleno, en cuyo caso la fracción llena debe ser conocida y los dispersores pueden no estar distribuidos uniformemente. Considere una viga de 10 ° de altura. A una distancia de 10 km, el haz podría cubrir desde el nivel del suelo hasta una altura de 1750 metros. Podría haber lluvia a nivel del suelo, pero la parte superior del rayo podría estar por encima del nivel de las nubes. En la parte del haz que contiene lluvia, la tasa de lluvia no será constante. Uno necesitaría saber cómo se distribuyó la lluvia para hacer una evaluación precisa del desorden y la relación señal / desorden. Todo lo que se puede esperar de la ecuación es una estimación a los 5 o 10 dB más cercanos.
Desorden de la superficie
El retorno del desorden de la superficie depende de la naturaleza de la superficie, su rugosidad, el ángulo rasante (ángulo que forma el haz con la superficie), la frecuencia y la polarización. La señal reflejada es la suma fasorial de un gran número de retornos individuales de diversas fuentes, algunas de ellas capaces de moverse (hojas, gotas de lluvia, ondulaciones) y otras estacionarias (pilones, edificios, troncos de árboles). Las muestras individuales de desorden varían de una celda de resolución a otra (variación espacial) y varían con el tiempo para una celda determinada (variación temporal).
Relleno de vigas
Para un objetivo cercano a la superficie de la Tierra de modo que la tierra y el objetivo estén en el mismo rango de celda de resolución, es posible una de dos condiciones. El caso más común es cuando el haz interseca la superficie en un ángulo tal que el área iluminada en cualquier momento es solo una fracción de la superficie intersecada por el haz, como se ilustra en la Figura 2.
Caso limitado de longitud de pulso
Para el caso limitado de la longitud del pulso, el área iluminada depende del ancho del azimut del haz y de la longitud del pulso, medidos a lo largo de la superficie. El parche iluminado tiene un ancho en azimut de
- .
La longitud medida a lo largo de la superficie es
- .
El área iluminada por el radar viene dada por
Para anchos de haz 'pequeños', esto se aproxima a
El retorno del desorden es entonces
- Vatios
Sustituyendo el área iluminada
- Vatios
dónde es el coeficiente de dispersión hacia atrás del desorden. Mudado a grados y poniendo los valores numéricos da
- Vatios
La expresión para el rendimiento objetivo permanece sin cambios, por lo que la relación señal / desorden es
- Vatios
Esto simplifica a
En el caso del desorden de la superficie, la señal de desorden ahora varía inversamente con R. Reducir a la mitad la distancia solo causa una duplicación de la relación (un factor de mejora de dos).
Problemas para calcular el desorden para el caso de duración limitada del pulso
Hay varios problemas para calcular la relación señal / desorden. El desorden en la viga principal se extiende sobre un rango de ángulos de rasante y el coeficiente de retrodispersión depende del ángulo de rasante. El desorden aparecerá en los lóbulos laterales de la antena , lo que nuevamente involucrará un rango de ángulos de pastoreo e incluso puede involucrar un desorden de una naturaleza diferente.
Estuche de ancho de haz limitado
El cálculo es similar a los ejemplos anteriores, en este caso el área iluminada es
que para anchos de haz pequeños se simplifica a
El regreso del desorden es como antes
- Vatios
Sustituyendo el área iluminada
- Vatios
Esto se puede simplificar a:
- Vatios
Mudado a grados
- Vatios
El rendimiento objetivo permanece sin cambios por lo tanto
Lo que simplifica a
Como en el caso del desorden de volumen, la relación entre la señal y el desorden sigue una ley del cuadrado inverso.
Problemas generales al calcular el desorden de la superficie
El problema general significativo es que el coeficiente de retrodispersión no puede calcularse en general y debe medirse. El problema es la validez de las mediciones tomadas en un lugar bajo un conjunto de condiciones que se utilizan para un lugar diferente en diferentes condiciones. Existen varias fórmulas empíricas y gráficos que permiten hacer una estimación, pero los resultados deben usarse con precaución.
Ver también
Referencias
- ^ Golbon-Haghighi, MH; Zhang G. (julio de 2019). "Detección de desorden de tierra para radar meteorológico de polarización dual utilizando una función discriminante 3D novedosa" . Revista de tecnología atmosférica y oceánica . 36 (7): 1285-1296. Código bibliográfico : 2019JAtOT..36.1285G . doi : 10.1175 / JTECH-D-18-0147.1 .
- ^ Golbon-Haghighi, MH; Zhang G .; Li Y .; Doviak R. (junio de 2016). "Detección de desorden de tierra de radar meteorológico utilizando un método de doble polarización y doble exploración" . Atmósfera . 7 (6): 83. Bibcode : 2016Atmos ... 7 ... 83G . doi : 10.3390 / atmos7060083 .