Chirped Pulse Amplification (CPA) es una técnica óptica, ganadora del Premio Nobel de física 2018, que se utiliza para producir pulsos láser cortos a intensidades lo suficientemente altas como para que el medio de ganancia se destruya a sí mismo a través de fenómenos no lineales si intenta amplificar el pulso directamente, intercalando el amplificador entre una camilla de pulso y un compresor.
Es común en la óptica que la técnica se desarrolló originalmente para la amplificación de las señales de radar en algún lugar de los comienzos de la historia de la electrónica, y tiene sentido que si tienes un amplificador de tubo de vacío frágil o algo así, puedes cambiar el rejillas de difracción óptica para guías de onda de microondas adecuadamente dispersivas, o lo que sea que usaran en los años sesenta, y haría maravillas para proteger la electrónica sensible de la fritura.
Para intentar ir más allá de esa vaga comprensión, intenté ver exactamente qué problemas de amplificación de radar fueron el objetivo del trabajo original de estiramiento-amplificación-compresión (no estoy seguro de si el nombre CPA ya estaba en uso durante su desarrollo , incluso si realmente se usa para describir tales sistemas en un contexto electrónico), para qué se usaba en electrónica cuando dio el salto a la óptica en 1985 y, en general, cuál es la historia de su desarrollo. Sin embargo, hay algunos bordes ásperos en los que no estoy tan seguro y espero que este SE sea un buen lugar para preguntar sobre ellos.
El documento original de CPA,
Compresión de pulsos ópticos chirridos amplificados. D. Strickland y G. Mourou. Óptica Comunicaciones. 55 , 447 (1985) .
reconoce que la técnica es análoga a las soluciones que ya estaban en uso en el radar, y envía al lector a una revisión amigable para principiantes en
Radares de matriz en fases. E. Brookner. Scientific American 252 , febrero de 1985, págs. 94-102. .
pero esto es un poco un callejón sin salida bibliográfico ya que no tiene referencias. En particular, me sorprende el hecho de que las técnicas tienen diferencias significativas.
En óptica, queremos tener un pulso corto y queremos hacerlo fuerte. Esto nos permite investigar fenómenos ópticos no lineales, que pueden alcanzar algunos grados bastante extremos . Esto significa que necesitamos comprimir el pulso antes de usarlo para hacer lo que sea que queramos hacer.
En la descripción de Strickland y Brookner, por otro lado, está claro que la electrónica solo se preocupa realmente por comprimir el pulso justo antes de su análisis final, y que el sistema está perfectamente feliz de emitir el pulso sin comprimir para interactuar con cualquier avión o toronja objetos metálicos de gran tamaño 'están ahí afuera, y haciendo la compresión después.
Esta opinión es enfatizada por un informe de Rochester más accesible,
Revisión LLE , Informe trimestral, octubre-diciembre de 1985 . Laboratorio de Laser Energetics, Rochester, NY. §3B, págs. 42-46 .
Tratando de entrar un poco más en detalles, me confundo un poco más. Wikipedia refiere al lector interesado a una revisión de 1960, después de que la tecnología hubiera sido desclasificada,
Compresión de pulso: clave para una transmisión de radar más eficiente. CE Cook. Proc. IRE 48 , 310 (1960) .
pero me cuesta entender cuáles eran los problemas que intentaban resolver. De la introducción de Cook,
En la mayoría de los casos, la demanda de un mayor rango de detección no ha sido a expensas de los requisitos tácticos normales para una cierta cantidad mínima de capacidad de resolución de rango. Ante esta situación, los diseñadores de tubos de radar se han visto obligados a concentrarse en aumentar los poderes máximos de sus tubos, ya que las consideraciones tácticas no han permitido extender los rangos de detección al aumentar la potencia promedio por medio de un pulso transmitido más amplio. Como consecuencia, en muchas situaciones los tubos de alta potencia se utilizan de manera ineficiente en lo que respecta a la potencia promedio. Para compensar esta ineficiencia, los ingenieros han desarrollado técnicas de integración posteriores a la detección para ampliar el rango de detección del radar. Estas técnicas también conducen a nuevas ineficiencias en la medida en que se tiene en cuenta el uso de la potencia media total disponible.
Aquí no está claro qué 'requisitos tácticos' están en juego aquí, y por qué y cómo afectan tanto el ancho de pulso, la potencia promedio y los requisitos de potencia máxima en el sistema.
Las patentes de Dicke y Darlington ayudan de alguna manera a establecer cuál era el problema, particularmente con las referencias a chispas en las antenas como un límite en la potencia máxima del pulso del radar tanto dentro del amplificador como en los elementos de salida que lo siguen. (Esto está en contraste con el caso de CPA óptico, donde el problema es que los medios de ganancia láser tienen un umbral de intensidad por encima del cual los efectos no lineales como el autoenfoque y la filamentación láser destruirá el medio de ganancia, pero está perfectamente bien emitir pulsos de alta intensidad en espejos u otros elementos de 'salida'.) Sin embargo, la mención de Cook en una fecha posterior de requisitos específicos tanto en la potencia máxima como en la potencia promedio me hace sospechar que hay más cosas aquí que no estoy viendo claramente.
Para resumir este grupo de confusiones en algunas preguntas más concretas:
- ¿Qué requisitos específicos sobre las potencias máximas y medias y los anchos de los pulsos del radar fueron diseñados para superar el radar chirrido? ¿Eran estas preocupaciones puramente "internas" con respecto a la electrónica, o había objetivos externos y restricciones que eran difíciles de cumplir de otra manera?
- ¿Se utiliza alguna vez el nombre 'amplificación de pulso chirrido' en un contexto de radar?
- ¿El CPA de estilo óptico (estirar, amplificar, comprimir y luego usar el pulso) se utiliza en absoluto en aplicaciones de radar o en campos electrónicos más amplios?
Respuestas:
No soy un experto en radares de ninguna manera, pero creo que entiendo los conceptos generales lo suficientemente bien como para intentar responder a sus preguntas.
El problema básico en el radar es obtener la potencia adecuada para el rango total y una buena resolución de tiempo para la resolución del rango. Es difícil construir amplificadores de alta potencia para frecuencias de microondas. Desea tener mucha energía en cada pulso transmitido, pero también desea mantener el pulso corto. La solución, como ha encontrado en la óptica, es estirar el pulso al sonarlo, lo que permite que el amplificador de potencia funcione a una potencia más baja durante más tiempo para obtener la misma energía de pulso.
Ahora, en el radar, no importa si no vuelve a comprimir el pulso antes de alimentarlo a la antena: el pulso chirriado funciona tan bien como el pulso comprimido en términos de detección de objetos.
De hecho, obtienes ventajas adicionales cuando vuelven los reflejos, porque ahora puedes amplificar la señal chirpeada en el receptor (obteniendo algunas de las mismas ventajas que en el amplificador transmisor con respecto a la potencia de pico a promedio), y puedes usar un "filtro adaptado" para comprimir el pulso justo antes de la detección, lo que tiene la ventaja adicional de rechazar también muchas fuentes potenciales de interferencia. Los pulsos estrechos que salen del filtro del receptor le brindan la resolución de tiempo que necesita.
Generalmente no, porque la amplificación no es la única razón por la que se usa el chirrido.
No que yo sepa, pero sin duda sería factible.
fuente
El requisito táctico del que habla Cook es la detección confiable de objetivos en ruido y atascos, este es el problema de detección y la resolución confiable de objetivos en un contexto coherente, este es el problema de la discriminación.
En un radar de pulso convencional, estos dos problemas se resuelven mediante el aumento de la energía del pulso y la reducción del ancho del pulso. El pulso más corto tiene más posibilidades de verse por sí mismo que uno más largo cuando hay múltiples objetivos presentes simultáneamente y dado que la relación señal / ruido de salida de filtro coincidente es independiente de la forma del pulso y es máxima entre todos los posibles filtros de ruido. El problema táctico se resuelve teniendo una señal de radar de modo que su filtro coincidente tenga una longitud lo más corta posible para que los retornos múltiples del objetivo estén bien separados en el tiempo. Entonces, para el rendimiento del radar, lo que importa no es el pulso del radar, sino lo que sucede después de que el pulso eco sale de su filtro correspondiente. Desde la amplitud de salida del filtro coincidentey, por lo tanto, su SNR es proporcional a la energía del pulso transmitido que podemos manipular, modular, lo que transmitimos y lograr el mismo rendimiento táctico siempre que la SNR recibida y la longitud del pulso del filtro coincidente sea la misma.
Como el rendimiento depende de la energía de transmisión y es independiente de la potencia de transmisión, y todos los transmisores de radar tienen una potencia limitada, los diseñadores de radar nunca usan intencionalmente la modulación de amplitud y toda la modulación intrapulso es de fase o frecuencia. Un típico y más antiguo en un radar de pulso convencional es el radar chirp, pero hay muchos otros esquemas de modulación de frecuencia o fase. Si bien el chirp es el más antiguo y conceptualmente el más simple, para radares muy sensibles rara vez se usa. La razón de esto es que la salida del filtro adaptado para un radar chirp genera una salida alejada (los llamados lóbulos laterales de tiempo) de su pico deseado que es mayor en amplitud y más larga en tiempo (timbre) de lo que a veces es deseable. Este "timbre" de alto nivel evita discriminar objetivos más pequeños por la salida de un objetivo más grande que está cerca de él.
fuente