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 un ensanchador de pulsos y un compresor.
Es un folclore común en óptica que la técnica se desarrolló originalmente para la amplificación de señales de radar en algún lugar de los primeros tiempos de la historia de la electrónica, y tiene sentido que si tiene un amplificador de tubo de vacío frágil o algo así, puede cambiar el rejillas de difracción óptica para guías de ondas de microondas apropiadamente dispersivas, o lo que sea que se usara en los años sesenta, y haría maravillas para proteger la electrónica sensible de la fritura.
Para tratar de ir más allá de esa vaga comprensión, traté de ver exactamente qué problemas de amplificación de radar eran el objetivo del trabajo original de estirar, amplificar y comprimir (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 usó en la electrónica cuando dio el salto a la óptica en 1985 y, en general, cuál es la historia de su desarrollo. Sin embargo, hay algunas asperezas de las que no estoy tan seguro y espero que este SE sea un buen lugar para preguntar sobre ellas.
El documento original de la CPA,
Compresión de pulsos ópticos chirp amplificados. D. Strickland y G. Mourou. Comunicaciones ópticas. 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 para principiantes en
Radares de matriz en fase. E. Brookner. Scientific American 252 , febrero de 1985, págs. 94-102. .
pero esto es un callejón sin salida bibliográfico ya que no tiene referencias. En particular, me llama la atención el hecho de que las técnicas tienen diferencias significativas.
En óptica, queremos tener un pulso corto y queremos que sea fuerte. Esto nos permite investigar fenómenos ópticos no lineales, que pueden alcanzar 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 contento con transmitir el pulso sin comprimir para interactuar con cualquier plano o "toronja". "Objetos metálicos de tamaño 'están ahí fuera, y haciendo la compresión después.
Este punto de vista se enfatiza en un informe de Rochester más accesible,
LLE Review , Informe trimestral, octubre-diciembre de 1985 . Laboratorio de Energía Láser, Rochester, NY. §3B, págs. 42-46 .
Tratando de entrar un poco más en detalles, me confundo un poco más. Wikipedia remite al lector interesado a una reseña de 1960, después de que se desclasificó la tecnología,
Compresión de pulso: clave para una transmisión de radar más eficiente. Cocinero CE. proc. IRE 48 , 310 (1960) .
pero estoy luchando por entender cuáles eran los problemas que estaban tratando de 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 las potencias de pico de sus tubos, ya que las consideraciones tácticas no han permitido ampliar los rangos de detección aumentando la potencia media mediante un pulso transmitido más amplio. Como consecuencia, en muchas situaciones, los tubos de alta potencia se están utilizando de manera ineficiente en lo que respecta a la potencia media. 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 más ineficiencias en la medida en que se tiene en cuenta el uso de la potencia media total disponible.
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 un poco a establecer cuál era el problema, particularmente con las referencias a chispas en las antenas como límite en el pico de potencia del pulso del radar tanto dentro del amplificador como en los elementos de salida que vienen después. (Esto contrasta 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 láserdestruirá el medio de ganancia, pero está perfectamente bien hacer brillar 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 veo claramente.
Para resumir este montón de confusiones en algunas preguntas más concretas:
No soy un experto en radares de ninguna manera, pero creo que entiendo los conceptos generales lo suficientemente bien como para tratar de responder a sus preguntas.
¿Qué requisitos específicos sobre las potencias pico y promedio y los anchos de los pulsos de radar se diseñó para superar? ¿Eran estas preocupaciones puramente 'internas' con respecto a la electrónica, o había metas y restricciones externas que eran difíciles de cumplir de otra manera?
El problema básico en el radar es obtener tanto la potencia adecuada para el rango total como una buena resolución de tiempo para la resolución del rango. Es difícil construir amplificadores de alta potencia para frecuencias de microondas. Quiere tener mucha energía en cada pulso transmitido, pero también quiere que el pulso sea corto. La solución, como ha encontrado en la óptica, es estirar el pulso haciéndolo sonar, 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 comprimes el pulso nuevamente antes de enviarlo a la antena: el pulso chirriado funciona tan bien como el pulso comprimido en términos de detección de objetos.
De hecho, obtiene ventajas adicionales cuando regresan los reflejos, porque ahora puede amplificar la señal chirriada en el receptor (obteniendo algunas de las mismas ventajas que en el amplificador del transmisor con respecto a la potencia de pico a promedio), y puede usar un "filtro emparejado" para comprimir el pulso justo antes de la detección, lo que tiene la ventaja adicional de rechazar también muchas posibles fuentes de interferencia. Los pulsos estrechos que salen del filtro del receptor le brindan la resolución de tiempo que necesita.
¿Se usa alguna vez el nombre "amplificación de pulso con chirrido" en un contexto de radar?
Generalmente no, porque la amplificación no es la única razón por la que se usa el chirrido.
¿El CPA de estilo óptico (estirar, amplificar, comprimir y luego usar el pulso) se usa en aplicaciones de radar o en campos electrónicos más amplios?
No que yo sepa, pero sin duda sería factible.
El requisito táctico del que habla Cook es la detección confiable de objetivos en ruido y interferencias, este es el problema de la detección, y la resolución confiable de objetivos contra un fondo coherente, este es el problema de la discriminación.
En un radar de pulso convencional, estos dos problemas se resuelven aumentando la energía del pulso y reduciendo el ancho del pulso. El pulso más corto tiene más posibilidades de ser visto por sí mismo que uno más largo cuando varios objetivos están presentes simultáneamente y dado que la relación señal-ruido de salida del filtro emparejado es independiente de la forma del pulso y es máxima entre todos los filtros de ruido posibles, el problema táctico se resuelve teniendo una señal de radar tal que su filtro emparejado tenga una longitud lo más corta posible para que los retornos de múltiples objetivos estén bien separados en el tiempo. Entonces, para el rendimiento del radar, lo que importa no es cuál es el pulso del radar, sino qué sucede después de que el pulso con eco sale de su filtro coincidente. Dado que la amplitud de salida del filtro emparejado, y 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 el SNR recibido y la longitud del pulso del filtro coincidente posterior sean los mismos.
Dado que 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 utilizan intencionalmente la modulación de amplitud y toda la modulación intrapulso es de fase o de frecuencia. Un típico y antiguo radar de pulsos convencional es el radar chirp, pero existen muchos otros esquemas de modulación de frecuencia o fase. Si bien el chirp es el más antiguo y conceptualmente el más simple, rara vez se usa para radares muy sensibles. 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 más alta en amplitud y más larga en tiempo (timbre) de lo que a veces es deseable. Este "timbre" de alto nivel impide discriminar objetivos más pequeños por la salida de un objetivo más grande que está cerca de él.
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Adán Haun
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Tony Estuardo EE75
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