Тестирование импульсного радара Raymarine Quantum

Новый полупроводниковый радар импульсного сжатия Raymarine Quantum в работе

Технология импульсного сжатия не нова - оригинальный патент возвращает нас к 1940 году - однако теперь она впервые применяется в сегменте прогулочных судов. Одним из требований к реализации данной технологии на малых судах являлся отход от передатчиков на базе магнетронов в пользу полупроводниковых (кремниевых), но лишь недавно это стало экономически оправданным для выхода на коммерческий рынок малого/прогулочного судоходства. В данной статье описаны методика и преимущества технологии на примере того, как радар Raymarine Quantum будет выглядеть против стандартного цифрового радара и HD-радара открытого типа.

Импульсный радар

Импульсный радар работает, посылая короткую вспышку радиоизлучения, а затем, прослушивая его отражение: он может работать вне зависимости от расстояния, измеряя время от импульса передачи до полученного эха. Зная, в какую сторону наведена антенна, он может без физического вращения выставить мишень на экран.

Традиционный компромисс

Два основных фактора определяют эффективность импульсного радара помимо отражающих характеристик цели. Первый – ширина лепестка антенны, определяющая способность различать цели. Чем больше антенна, тем уже луч, и, следовательно, качественнее разделение целей на одних и тех же расстояниях, но в слегка различающихся направлениях. Существуют возможности искусственного заострения лепестка, но стратегия «больше – лучше» по-прежнему остается нормой.

Второй фактор касается характеристик импульса. Умение видеть цель зависит от особенностей объекта и количества энергии, затрачиваемой на его облучение. Энергия есть мощность, умноженная на время. Для данной мощности более длительный импульс будет означать больше энергии, чем короткий, таким образом, большее количество импульсов эффективнее для сбора мелких целей. Хотя у этого правила есть и обратная сторона – чем длиннее импульс, тем меньше возможностей различить цели в том же направлении на слегка различных дистанциях.

Обычные импульсные радары решают эту проблему путем передачи довольно длинных импульсов (около одной миллионной секунды) на дальние расстояния, поэтому предоставляют лучшее обнаружение целей за счет более качественного их разделения, постепенно уменьшая время импульса и дистанцию. Все это происходит автоматически, позволяя увидеть, как одна более дальняя цель внезапно разделяется на две при уменьшении расстояния.

Импульсное сжатие

Импульсное сжатие описывает ряд методов, посредством которых передаваемый, а затем обрабатываемый в приемнике длинный импульс выглядит как короткий. Передача очень длинного импульса (по сравнению с обычным радаром) возможна с низкой мощностью, но все еще высокой энергией, характерной для традиционных импульсных радаров. Для того чтобы длинный импульс позволял получать ту же информацию, что и короткий, это должен быть сигнал с качающейся частотой (так называемый CHIRP). Есть много способов достижения качания частоты - от простого, до кодированного, используемого военными.

Математика процесса может показаться непростой, но она имеет простейшую визуализацию при помощи ступенчатой развертки. Представьте себе длинный импульс, состоящий из серий ступенчато отличающихся частот, когда отраженный от мишени сигнал выглядят как передаваемый. В приемнике специальный фильтр задерживает каждый шаг частоты до совпадения импульсов во времени, а затем складывает их. Фактически, таким образом получается ряд горизонтально уложенных «кирпичиков», складываемых теперь по вертикали. Теперь мы имеем нечто похожее на короткий импульс высокой энергии.

По сути мы воспользовались обработкой сигнала, чтобы преодолеть характерную для традиционных радаров зависимость между шириной импульса и распознаванием. Для достижения эффекта качающейся частоты мы должны контролировать частоту передатчика, что нельзя сделать в случае магнетрона, а значит, надо использовать полупроводниковую схему, на которой, в свою очередь, может быть реализован только передатчик малой мощности. Помимо того, что это делает CHIRP возможным, получается выигрыш по массе, энергопотреблению и высокой надежности, поскольку отсутствуют высокие напряжения. С течением времени все радары для небольших судов станут твердотельными и будут использовать этот или подобные методы.

Испытания морем

Испытания радара были проведены в проливе Те-Солент на яхте Trinity Star, Nelson 42, где сравнивалась производительность радара Raymarine Quantum и обычного радара аналогичного размера Raymarine RD418D.

Интересующими аспектами были: производительность в узком диапазоне частот, четкость и распознавание в среднем диапазоне, производительность в диапазоне длинных частот и способность запускать радиолокационный маяк-ответчик. Raymarine Quantum тестировался от города Hythe до Brambles в центре Те-Солент и до Hamble, где Quantum был заменен на Raymarine RD418D, протестированный в обратном направлении. 4-футовый радар открытого типа на Trinity Star использовался в качестве эталона, от которого ожидалась превосходное круговое распознавание как от более большой антенны.

Производительность при малом радиусе действия

Традиционный импульсный радар ожидаемо имеет слепые зоны вокруг судна, равные длительности импульса, что соответствует 30-50 м узкополосного радара. Это происходит из-за времени переключения магнетрона с передачи на прием после отправки импульса. Широкополосный радар позволяет преодолеть это, поскольку передает и принимает одновременно, добиваясь отличной работы на малых расстояниях.

Производительность радара на малых расстояниях протестирована в марине города Hythe, которая осложняет работу радара большим количеством прибрежных зданий.

Первое сравнение между Quantum и радаром открытого типа отдает победу Quantum (выше). Весьма заметное пятно по центру в случае с открытым радаром (диаметр 72 фута) отсутствует в случае Quantum, позволяющего видеть цели на расстояниях до 15 футов. Более короткая длина импульса Quantum дает лучшую картину, но радар открытого типа имеет небольшое преимущество при круговом распознавании из-за размера антенны. RD418 также показывает пятно в середине, отображая меньше целей с худшим разделением.

Результаты сравнения

Во всех случаях были выбраны автоматические настройки, способствующие лучшей производительности, для того, чтобы сравнение было честным. На коротких расстояниях Quantum показал себя лучше радара открытого типа.

Средняя дальность

Излюбленным местом для тестов оказался вход в Hamble с прохождением внутренней пары свай на большой скорости. Здесь присутствует целый ряд крупных целей от электростанции Fawley, низкие гравийные банки Warsash и множество зданий пристани, - то есть, все, что можно пожелать для сравнения производительности разных радаров.

Cравнивая показатели на средней дальности, можно отметить, что радар открытого типа демонстрирует преимущество мощной антенны. Вы можете видеть, как цели в центре экрана растянуты более чем на Quantum, здесь некоторый эффект на открытом радаре обусловлен боковыми лепестками. 

Эти изображения сравнивающие радар открытого типа и RD418 получены спустя несколько минут, поэтому движущиеся цели находятся в разных местах. Это заметно на втором снимке, где RD418 не распознал маркеры канала почти также как Quantum, но распознал лучше него береговые цели.

Результаты сравнения

На средних расстояниях 4-футовый радар открытого типа показал некоторое превосходство за счет размера антенны. Quantum, в свою очередь, был существенно лучше, чем RD418.

Дальние расстояния

Для сравнения на дальних расстояниях мы отправились в Calshot North в центре Те-Солент, откуда открывается хороший вид на все вплоть до Needles.

Работая в направлении Needles на 15 миль вперед (на два часа в правой картинке), Raymarine Quantum давал схожие результаты с радаром открытого типа даже при монтаже на метр ниже. Производительность оказалось лучше ожиданий. Оба радара распознали цель в 20 милях в позиции на 4 часа. В реальности, радар небольшого судна не видит ничего за пределами 24-мильного диапазона, если в качестве цели не выступит хороший отражатель на высоте до 100 метров.

На расстоянии 6 миль Quantum очень хорошо зарекомендовал себя с единственным отличием от радара открытого типа в том, как отображается земля.

Финальная картинка сравнивает радар открытого типа и RD418. Мы отметили, что возвращение от Needles было не столь хорошим на экране RD418, сколь на Quantum. К сожалению, мы установили 12-мильную дальность, а не 6-ти или 24-х (погода давала знать о себе!), но этого было вполне достаточно. Хотя ширина луча и ограничена 4.9° для обоих радаров Quantum и RD418, вид картинки на 12 часов выше Southhampton Water показал Quantum дающим большую производительность, что, вероятно, объясняется остротой его луча.

Результаты сравнения

На дальних дистанциях 4-футовый радар открытого типа имеет преимущество, что вполне ожидаемо для антенны такого размера и ее установке на метр выше. Quantum выглядит привлекательнее по сравнению с обычным радаром.

Погода

Импульсный радар хорош для распознавания дождевых шквалов, показывая их как светлые области на экране. Чтобы понять, есть ли у них внутри что-то твердое, опция Rain Clutter позволяет отфильтровать дождевые помехи. Это особенно важно для RD418 и в меньшей степени на радаре открытого типа, который отображает цели целой цветовой палитрой: твердые – красным, дождевые – желтым/голубым/зеленым. Обработка импульса в Quantum позволяет использовать фильтр дождя, либо включать соответствующий погодный режим, чтобы подчеркнуть отображение дождей.

Погода в день тестов была шквалистой с короткими интенсивными ливнями. Картинка от радара открытого типа показала шквал и его интенсивность – красным. Quantum в значительной степени отфильтровал дождь в режиме «Порт» (Harbour Mode), а при переключении в режиме «Погода» (Weather Mode) дал схожие с HD-радаром результаты.

Радиолокационный маяк

Одной из проблем маломощных длинноимпульсных радаров является их способность работы с радиолокационным маяком. Радарные транспондеры установлены на навигационных знаках вокруг Те-Солент, Nab, West Brambles и связывающего их моста. При вызове радаром они возвращают сильный сигнал, делая отметку на экране. В Те-Солент все они передают азбукой Морзе букву «Т» (одно длинное тире), а буй с радиолокационным маяком – восклицательный знак.

Вердикт

Raymarine Quantum в половину веса радара открытого типа использует менее половины его мощности и дает убедительные результаты даже в отношении своего старшего брата. Технология сжатия импульсов уже некоторое время используется военными, а в ближайшие годы станет стандартом технологии радаров малых судов, в результате чего производство радаров на основе магнетрона будет медленно сворачиваться. Акцент будет смещаться в сторону программного обеспечения, и мы можем ожидать появления новых расширенных возможностей у новых моделей радаров.