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パルス繰り返し周波数( PRF ) は、特定の時間単位における繰り返し信号のパルス数です。この用語は、レーダーをはじめとするさまざまな技術分野で使用されています。
レーダーでは、特定の搬送周波数の無線信号がオンとオフに切り替わります。「周波数」という用語は搬送波を指し、PRF はスイッチの数を指します。どちらも1 秒あたりのサイクル数、つまりヘルツで測定されます。PRF は通常、周波数よりもはるかに低くなります。たとえば、タイプ 7 GCI レーダーのような典型的な第二次世界大戦のレーダーでは、基本搬送周波数は 209 MHz (1 秒あたり 2 億 900 万サイクル) で、PRF は 1 秒あたり 300 または 500 パルスでした。関連する測定値はパルス幅で、これは各パルス中に送信機がオンになっている時間の長さです。
無線信号の短いパルスを生成した後、送信機はオフになり、受信機ユニットが遠くのターゲットからの信号の反射を検出します。無線信号はターゲットまで移動して戻ってくる必要があるため、必要なパルス間静穏期間はレーダーの希望距離に依存します。信号距離が長いほど長い期間が必要になり、PRF が低くなります。逆に、PRF が高いと最大距離は短くなりますが、一定時間内に送信されるパルス数が増え、無線エネルギーが増加します。これにより反射が強くなり、検出が容易になります。レーダー システムは、これら 2 つの競合する要件のバランスを取る必要があります。
旧式の電子機器では、PRF は一般に特定の値に固定されていたり、限られた値の間で切り替えられたりしていました。これにより、各レーダー システムに固有の PRF が与えられ、電子戦でこれを使用して、船舶や航空機などの特定のプラットフォーム、または場合によっては特定のユニットの種類やクラスを識別できます。航空機のレーダー警報受信機には、レーダーの種類だけでなく、場合によっては動作モードを識別できる共通 PRF のライブラリが含まれています。これにより、たとえばSA-2 SAMバッテリーが「ロックオン」したときにパイロットに警告できます。現代のレーダー システムは通常、PRF、パルス幅、および搬送周波数をスムーズに変更できるため、識別がはるかに困難になっています。
ソナーおよびライダーシステムにも、他のパルス システムと同様に PRF があります。ソナーの場合、同じ概念を指しますが、パルス繰り返し率( PRR ) という用語の方が一般的です。
導入
電磁波（電波や光など）は概念的には純粋な単一周波数現象ですが、パルスは数学的には、相互作用で加算および無効化される多数の純粋な周波数で構成されていると考えられます。これにより、特定の振幅、PRR、基本周波数、位相特性などを持つパルス列が作成されます（フーリエ解析を参照）。最初の用語（PRF）は、デバイスの技術文献（電気工学および一部の科学）でより一般的であり、後者の用語（PRR）は、軍事航空宇宙用語（特に米国軍用語）や、レーダーおよびソナーシステムのトレーニングおよび技術マニュアルなどの機器仕様でより一般的に使用されます。
PRF (または PRR) の逆数は、パルス繰り返し時間 ( PRT )、パルス繰り返し間隔 ( PRI )、またはパルス間周期 ( IPP ) と呼ばれ、1つのパルスの開始から次のパルスの開始までの経過時間です。IPP という用語は通常、デジタル処理される PRT 周期の量を指すときに使用されます。各 PRT には固定数の距離ゲートがありますが、そのすべてが使用されるわけではありません。たとえば、APY-1 レーダーは 128 の IPP を使用し、固定 50 の距離ゲートを使用して、FFT を使用して 128 のドップラーフィルターを生成しました。5 つの PRF のそれぞれにある異なる数の距離ゲートはすべて 50 未満です。
レーダー技術において、PRFは、レーダーが正確に判定できる最大目標距離（R max）と最大ドップラー速度（V max ）を決定するため重要である。 [1]逆に、PRR/PRFが高いと、潜望鏡や高速で移動するミサイルなど、より近い物体の目標識別力を高めることができる。このため、捜索レーダーには低いPRRが使用され、火器管制レーダーには非常に高いPRFが使用される。多くの二重目的レーダーや航行レーダー、特に可変PRRを備えた海軍設計のレーダーでは、熟練したオペレーターがPRRを調整してレーダー画像を強化して鮮明にすることができる。たとえば、波の作用で誤った反射が生成される悪天候の場合や、一般にクラッターを減らしたり、崖などの目立つ地形からの反射信号を改善したりすることができる。
意味
パルス繰り返し周波数 (PRF) は、1 秒あたりにパルス活動が発生する回数です。
これは、他の種類の波形を記述するために使用される 1 秒あたりのサイクル数に似ています。
PRF はパルス波の特性である 時間周期に反比例します。
PRF は通常、パルス間隔、つまり次のパルスが発生する前にパルスが移動する距離に関連付けられます。
物理
PRF は、特定の物理現象の測定を実行するために不可欠です。
たとえば、タコメータでは、回転速度を測定するために、調整可能な PRF を備えたストロボ ライトが使用されることがあります。ストロボ ライトの PRF は、回転する物体が静止しているように見えるまで、低い値から上方に調整されます。すると、タコメータの PRF は回転する物体の速度と一致します。
その他の種類の測定には、光、マイクロ波、および音波の送信からの反射エコーパルスの遅延時間を使用して距離を測定するものがあります。
測定
PRF は距離を測定するシステムやデバイスにとって非常に重要です。
異なる PRF により、システムは非常に異なる機能を実行できます。
レーダー システムは、ターゲットから反射された無線周波数の電磁信号を使用して、そのターゲットに関する情報を判断します。
PRF はレーダーの動作に必要です。これは送信パルスが空中または宇宙に送信される速度です。
範囲の曖昧さ
レーダー システムは、次の関係式によってパルスの送信と受信の間の時間遅延を通じて距離を決定します。
正確な距離測定には、次のパルスが送信される前にパルスが送信され、反射される必要があります。これにより、最大範囲の明確な制限が生じます。
最大範囲は、検出されたすべてのターゲットの範囲のあいまいさも定義します。パルス レーダー システムの周期的な性質のため、一部のレーダー システムでは、単一の PRF を使用して最大範囲の整数倍で隔てられたターゲット間の差を判定することはできません。より高度なレーダー システムでは、異なる周波数で同時に複数の PRF を使用するか、PRT が変化する単一の周波数で複数の PRF を使用することで、この問題を回避します。
PRF がこの制限を超える場合、範囲の曖昧さを解決するプロセスを使用して実際の範囲を識別し ます。
低PRF
3 kHz 未満の PRF を使用するシステムは、直接範囲を少なくとも 50 km の距離まで測定できるため、低 PRF と見なされます。低 PRF を使用するレーダー システムは通常、明確な範囲を生成します。
PRF が 3 kHz を下回ると、コヒーレンスの制限により、明確なドップラー処理がますます困難になります。
たとえば、500 Hz のパルス レートを持つL バンドレーダーは、75 m/s (170 マイル/時) を超える曖昧な速度を生成しながら、最大 300 km の実際の距離を検出します。この組み合わせは、民間航空機レーダーや気象レーダーに適しています。
低 PRF レーダーは、低速度のクラッターが存在すると感度が低下し、地形の近くでの航空機の検出が妨げられます。地形の近くで許容できるパフォーマンスを得るには、通常、移動ターゲット インジケーターが必要ですが、これにより、受信機を複雑にするレーダー スカロッピングの問題が発生します。航空機や宇宙船の検出を目的とした低 PRF レーダーは、気象現象によって大幅に劣化しますが、移動ターゲット インジケーターを使用してこれを補正することはできません。
中PRF
距離と速度はどちらも中 PRF で識別できますが、どちらも直接識別することはできません。中 PRF は 3 kHz から 30 kHz で、レーダー距離 5 km から 50 km に相当します。これはあいまいな範囲であり、最大範囲よりもはるかに小さいです。距離あいまいさの解像度は、中 PRF レーダーの実際の距離を決定するために使用されます。
中 PRF は、軍事システムのルックダウン/シュートダウン機能に必要なパルスドップラーレーダーで使用されます。ドップラーレーダーの反射は、速度が音速を超えるまでは一般に不明瞭ではありません。
実際の距離と速度を識別するには、曖昧さ解決と呼ばれる技術が必要です。ドップラー信号は 1.5 kHz から 15 kHz の間にあり、これは可聴範囲であるため、中 PRF レーダー システムからの音声信号はパッシブ ターゲット分類に使用できます。
たとえば、デューティ サイクルが 3.3% で PRF が 10 kHz のL バンドレーダー システムは、実際の距離を 450 km (30 * C / 10,000 km/s) まで特定できます。これが計測距離です。明確な速度は 1,500 m/s (3,300 マイル/時) です。
10 kHz の PRF を使用するL バンドレーダーの明確な速度は1,500 m/s (3,300 マイル/時) (10,000 x C / (2 x 10^9)) になります。バンド パス フィルターが信号を受け入れる場合、45,000 m/s 未満で移動する物体の真の速度がわかります (1,500/0.033)。
中型 PRF には、冗長な検出スキームを必要とする独特のレーダー スカロッピングの問題があります。
高いPRF
30 kHz を超える PRF を使用するシステムは、 L バンドで最大 4.5 km/s の直接速度を測定できるため、断続連続波 (ICW) レーダーとしてよく知られていますが、距離分解能は難しくなります。
高い PRF は、近接信管や法執行機関のレーダーなど、近距離でのパフォーマンスを必要とするシステムに限定されます。
たとえば、30 kHz PRF を使用して送信パルス間の静止フェーズ中に 30 個のサンプルを取得すると、1 マイクロ秒のサンプル (30 x C / 30,000 km/s) を使用して、最大 150 km まで実際の距離を判定できます。この範囲を超える反射体は検出できる可能性がありますが、実際の距離は特定できません。
このようなパルス周波数では送信パルス間で複数のサンプルを取得することがますます困難になるため、距離測定は短距離に制限されます。[2]
ソナー
ソナー システムは、媒体が液体または空気であり、信号の周波数が音声または超音波である点を除けば、レーダーとほぼ同じように動作します。レーダーと同様に、低周波数では比較的高いエネルギーが長距離に伝わりますが、分解能は低くなります。高周波数では減衰が速く、近くの物体の分解能が向上します。
信号は媒体（ほとんどの場合水）内の音速で伝播し、最大 PRF は検査対象物のサイズによって異なります。たとえば、水中の音速は 1,497 m/s で、人体の厚さは約 0.5 m なので、人体の 超音波画像の PRF は約 2 kHz（1,497/0.5）未満である必要があります。
別の例として、海の深さは約 2 km なので、音が海底から戻ってくるまでに 1 秒以上かかります。このため、ソナーは PRF が非常に低く、非常に低速な技術です。
レーザ
光波はレーダー周波数として使用することができ、その場合、システムは LIDAR と呼ばれます。これは「LIght Detection And Ranging」の略で、頭文字語「RADAR」の本来の意味である RAdio Detection And Ranging に似ています。どちらもその後、一般的に使用される英語の単語になったため、頭文字語ではなく頭字語になっています。
レーザー距離計やその他の光信号周波数距離計は、はるかに高い周波数でレーダーと同じように動作します。レーザー以外の光検出は、自動機械制御システム (ガレージ ドアやコンベア仕分けゲートを制御する電気眼など) で広く利用されており、パルス レート検出と距離測定を使用するシステムは、本質的にはレーダーと同じタイプのシステムですが、人間インターフェースの余計な機能はありません。
低い無線信号周波数とは異なり、光は地球の曲線に沿って曲がったり、C バンド探索レーダー信号のように電離層で反射したりしないため、LIDAR は、高周波レーダー システムのような視線アプリケーションでのみ役立ちます。