Skip to main content

A radartechnika alapjai 5. rész – Hatótávolság: néhány további kérdés

Megjelent: 2016. június 06.

Radartechnika lid kepSorozatunk 3. folytatásában – a radaregyenlet kapcsán – már foglalkoztunk a radar hatótávolságával, de a kérdés ezzel nincs elintézve. Léteznek egyéb hatások, amelyek más megfontolások alapján határoznak meg maximumot és minimumot a radar alkalmazási távolságtartományára.

 

 
 
A maximális egyértelmű hatótávolság

Magától értetődőnek tűnik, hogy addig nem szabad új radarimpulzust kiküldeni, míg el nem telt az a maximális időtartam (időablak), amin belül egyáltalán számíthatunk reflektált impulzus (radarvisszhang) visszaérkezésére. Eszerint a radar maximális hatótávolságát nemcsak a radaregyenlet, hanem a vételi üzemmódra kapcsolt állapot időtartama, a „vételi időablak” maximális megengedett értéke is korlátozza.
A radarimpulzus terjedési idejét mérő rendszert minden újabb impulzus kibocsátásakor nullázni kell abból a nyilvánvaló célból, hogy a távolságot mindig az új impulzusnak a t = 0 időponttól mért visszaérkezési idejéből lehessen kiszámítani. A két impulzus között a radarvisszhang visszaérkezésére szánt „időablak” maximális szélességének nincs ugyan elvi maximuma, de mivel a radarral nemcsak egyetlen visszhangot szeretnénk kapni a céltárgyról, hanem a pozíciójának időbeli változását is mérni szeretnénk, az időablak nagyságát egy alkalmasan megválasztott impulzusismétlődési idő által maximálnunk kell. Ha egy radarvisszhang ezt az időablakot meghaladó idő múlva érkezik vissza, annak két következménye lehet:

  • ha a visszaérkezés a következő adásperiódus közben érkezik (miközben az antenna az adóra van kapcsolva, a vevő pedig passzív), a radarvisszhang észrevétlen marad, vagy

  • a reflexió a következő adóimpulzushoz tartozó vételi időablak közben érkezik vissza. Ez esetben mérési hibát okoz az a tény, hogy a radarvisszhang nem rendelhető hozzá egyértelműen ahhoz az adóimpulzushoz, amely valójában létrehozta, ezért a radarvevő az utolsó, éppen még aktív időablak kezdetétől számítva méri a terjedési időt.

Ez utóbbi esetre mutat példát az 1. ábra. Itt az időablak úgy van megválasztva, hogy abba legfeljebb egy 300 km távolságban levő céltárgyról érkező radarvisszhang fér bele (ez azt jelenti, hogy a még éppen az időablakban megérkező reflektált jel eközben oda-vissza 600 km utat tesz meg, amelyből a tmax = Rmax/c = 600 [km]/300 000 [km/s] számítással 2 ms-os ablakidő adódik). Az első adóimpulzustól számított 2 ms múlva tehát az adó kibocsátja a következő impulzust, és egyidejűleg nullázza a késleltetési időt mérő számlálót. Ezért az első időablak elején kibocsátott impulzus reflektált jele egy pl. 400 km-re levő céltárgyról már csak a következő időablakban érkezik meg. Ennek az a következménye, hogy a valójában 400 km-re levő céltárgyról visszavert jel terjedési idejét a radar a második időablak kezdetétől méri, és az ebből számítható távolság a valódi 400 km helyett tévesen 100 km. Tehát az a maximális céltárgytávolság tekinthető „egyértelműen mérhető hatótávolságnak” (maximum unambiguous range, más gyakori kifejezéssel first range ambiguity), amelynél még garantálható, hogy a vevőbe érkező reflektált jel felfutó éle visszaérkezik a következő radarimpulzus kibocsátása előtt. Ezt a radarimpulzus ismétlődési frekvenciája (Pulse Repetition Frequency – PRF), illetve annak reciprok értéke (Pulse Repetition Time – PRT) határozza meg. Eddig azonban a radarimpulzus időtartamát (τ) elhanyagolhatónak tekintettük a PRT-hez képest (a PRT-ről részletesebben lásd „A radar időzítése” című keretes írásunkat). Ha az impulzusidő például 1 μs, ez a közelítés elfogadható. Vannak viszont olyan radarberendezések, amelyek technikai okokból ennél sokkal hosszabb, pl. 800 μs-os impulzusidőt használnak. Ezekben a radarokban nemcsak a visszavert radarjel megérkezésének puszta tényét használják ki, hanem az összetett radarjel spektrumának a mozgó céltárgyról való visszaverődése közben elszenvedett változását is. Ez utóbbi ugyanis a céltárgy sebességéről ad információt. Az ehhez szükséges „tartalmasabb” radarjel kibocsátásához viszont hosszabb idő szükséges, tehát itt az ablakszélességbe a teljes visszavert impulzus időtartamát is bele kell számítani. Ez viszont csak akkor értékelhető ki, ha az összetett, frekvenciamodulált (és a teljes vételi időtartamhoz képest hosszú) jelcsomag teljes egészében visszatért. Megjegyzendő: ahhoz, hogy az ilyen „modulált impulzusú” (intra-pulse modulated) radarberendezés képes legyen az impulzus Doppler-frekvenciacsúszásából a céltárgy radiális sebességét meghatározni, nem kevesebbet kell tennie, mint elvégezni a visszavert jel valósidejű spektrumanalízisét, ami lényegesen összetettebb műszaki feladat a távolságméréshez elegendő egyszerű burkológörbe-detektálásnál. A spektrumanalízisnek például szükséges (de nem elégséges) feltétele, hogy a vevő sávszélessége fogja át a visszavert jel teljes spektrumát.

 

1ábra

1. ábra Egy 300 km-es, egyértelmű hatótávolságú radar téves mérése egy 400 km távolságban levő céltárgy esetén


Az impulzusismétlődési időből számítható „egyértelműen mérhető hatótávolság” ismerete tehát azért nagyon lényeges, mert a PRT-t meghaladó időben visszaérkező jelek hamis távolságadatokat generálnak. Ezeket a hibás távolsággal megjelenített célokat „megtévesztő” vagy „másodlagos” visszhangoknak (ambiguous returns, second sweep echoes) nevezik. A fentiek értelmében az egyértelműen mérhető hatótávolságot az egyenlet2 ahol c a fénysebesség, PRT az impulzusismétlési idő és τ az impulzus-szélesség, azaz jó közelítéssel egyenlet3.

Itt jegyezzük meg, hogy a radarjelek terjedési időit gyakran μs-ban fejezik ki. Ebből a „nem szakértő” olvasó számára szokatlan „szakmai” mértékegységek származnak. Az – egyébként könnyen ellenőrizhető – háttérszámítást mellőzve, csak a végeredményt közöljük: a 6,66 μs-t „radarkilométernek” nevezik. A repüléstechnikában és a hajózásban gyakran használt (tengeri) mérföld (1852 m) távolságegységből pedig, a 12,35 μs-os „radarmérföld” (radar mile) mértékegység adódik. Tehát, ha a radarimpulzus μs-ban mért teljes terjedési idejét (a radartól a célig, majd visszaverődve ismét a radarig) osztjuk a „radarkilométer” vagy „radarmérföld” egységekkel, a látóvonal menti távolságot kapjuk km-ben, illetve tengeri mérföldben.
Mivel a radarral felderített tárgyak mozgása nem mindig követi elvárásainkat (a tágyak „makacsok”), a radarimpulzusok visszhangjának egy soron következő vételi ciklusba való „átcsúszása” és az ebből következő hamis mérési eredmény nem zárható ki. Az így keletkező hamis céljelek kiszűrésére többféle technika ismeretes. Az egyik lényege az, hogy nem állandó, hanem bizonyos határok között véletlenszerű időtartammal „modulált” PRT-t alkalmaznak. Ennek következtében a véletlenszerű követési időkkel jellemzett módszernél az adott impulzushoz viszonyítva a félreérthetetlenül mérhető maximális távolságon belüli tárgyról reflektált kép fix időkésleltetéssel jelenik meg, az ennél távolabbi célokról a saját kibocsátási idejükhoz képest „idegen” időkeretekben visszaérkező reflektált impulzusok viszont mérésről mérésre változó késleltetésűek. A fixen álló valódi és a véletlenszerűen mozgó hamis céljelek ezen a módon – digitális jelfeldolgozással – elkülöníthetők.
Ugyancsak az egyértelműen mérhető maximális távolságon kívül eső célok problémáját oldják meg bizonyos fázisvezérelt antennaráccsal felszerelt, korszerű 3D-radarok, amelyeknél kihasználják azt a lehetőséget, hogy az iránykarakterisztika megváltoztatása nem igényli az antenna mechanikai elmozdulását, ezért az nagyságrendekkel gyorsabban történhet. Ezek az eszközök azzal zárják ki az időkeret határát túllépő reflektált impulzusokat a kiértékelésből, hogy minden egymást követő adási-vételi periódus tartama alatt az antenna más irányba pozicionálva végez mérést, tehát az egyértelműségi távolsághatáron túlról érkező reflexiókra az „eltérített” antenna már nem érzékeny.

Minimális mérhető hatótávolság

Az adásra és vételre egyaránt ugyanazt az antennát használó (szakszerűen monosztatikus impulzusradarnak nevezett) berendezések adásidőben nem képesek venni, mivel a radarvevőt egy elektronikus kapcsoló (duplexer) ilyenkor kikapcsolja. Minimális mérési távolságnak (Rmin) azt a távolságot nevezzük, amelyen belül a radar a céltárgyat már nem képes detektálni (ez a „vakzóna”). Mielőtt az antennaátkapcsoló (duplexer) az adókimenetről a vevőbemenetre kapcsolna át, szükséges, hogy az adóimpulzus továbbítása teljesen befejeződjön. Ez a τ idő rövid ugyan, de nem zérus, mint ahogy az a trecovery idő is, amely a duplexer-kapcsoló átkapcsolódáskor fellépő tranziensek lecsillapodásához szükséges. Ebből számítható a minimális mérési távolság: egyenlet4  azaz szavakkal kifejezve: azok a célok, amelyekről az érkező radarvisszhang ideje rövidebb a radarimpulzus időtartamánál, nem deríthetők fel. Egy tipikus, 1 μs-os impulzusszélességű radarnál ez a minimális céltávolság nagyjából 150 m, ami például légiirányító, felderítő és célkövető alkalmazásoknál rendszerint nem okoz nehézséget. Ha viszont például a korábbiakban említett, 800 μs körüli impulzusszélességű „intrapulse modulated” radart használjuk a sebességmérés pontosságának javítására, a vakzóna akár kilométeres nagyságrendű is lehet. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy ez a vakzóna kizárólag a monosztatikus impulzusradar működési elvének következménye. Nem jelentkezik például az olyan radaroknál, amelyek adó- és vevőantennája fizikailag elkülönített, és az adóteljesítmény olyan kicsi, hogy a vevőantennára közvetlenül rásugárzó adójel nem bénítja meg (például nem vezérli túl) a vevőt. Ezekkel a feltételekkel a vevő folyamatosan működhet, nincs átkapcsolás, tehát holtidő sincs. Ezt az esetet azért érdemes kiemelni, mert például a hamarosan tömegesen alkalmazásra kerülő gépkocsi-radaroknál, amelyekkel a ráfutásos baleseti helyzetek kialakulását kívánják megelőzni, az 1 μs-os impulzusszélességű, 150 m-es vakzónájú, monosztatikus radar nyilvánvalóan használhatatlan. Egy másik gyakorlati példa a radaros folyadékszint-érzékelés. Ezt gyakran kisméretű tartályokban is alkalmazni kell, amelyekben a folyadékfelszín akár néhány cm-re is megközelítheti a radarszenzor antennáját. A két említett példa közös jellemzője a kis adóteljesítmény (amely lehetővé teszi az adó és vevő párhuzamos működtetését), valamint az igen nagy, 60…70 GHz körüli vivőfrekvencia (amely igen rövid adóimpulzusok előállítását teszi lehetővé).

 

 

 

Az impulzusismétlődési frekvencia (Pulse Repetition Frequency – PRF) a radarrendszer által másodpercenként kibocsátott impulzusok száma. 
Radarimpulzusnak a vivőfrekvencián kisugárzott τ időtartamú hullámcsomagot nevezzük. Az impulzus kibocsátása után kezdődik a vételi idő (listening time, rest time), amelyhez még hozzáadódik egy „holtidő” (dead time), amikor a vevő már, az adó pedig még nem működik (ez az időköz szükséges az antenna biztonságos átkapcsolásához a vevő érzékeny bemenetéről az adó nagy teljesítményű kimenetére). Ezt követően kezdődik a következő adóimpulzus. A két adóimpulzus kezdete közötti idő az impulzusismétlési idő (Pulse Repetition Time – PRT), és PRT = 1/PRF. A K1. ábrán egy teljes ciklus kissé részletesebb időzítése látható.
A két adóimpulzus közötti idő jó közelítéssel a vételi időt adja, ám annál mindig kisebb, ugyanis az impulzusszélesség (τ) nem a vételi idő része. Ha a vételi időszak véget ér, mielőtt a következő adóimpulzus elkezdődnék, az addig hátralevő időt holtidőnek (dead time) nevezzük. Mint már említettük, eközben történik az antenna átkapcsolása a vevőbemenetről az adókimenetre, és modern radarberendezéseknél ez idő alatt végzik a rendszer működés közbeni tesztelését; a fázisvezérelt rácsantennát tartalmazó radarok ezt az időt használják fel az antenna iránykarakterisztikáját módosító átkapcsolásokra is. Ez utóbbi akár 200 μs-ot is igénybe vehet, ami igen jelentős holtidő a vételi időtartamhoz képest (sőt, azt akár meg is haladhatja). A holtidő alatt a vevő már lekapcsolódott az antennáról, ezért ezt az időt fel lehet használni a vevő egységeinek tesztelésére. Ehhez ismert paraméterekkel rendelkező mérőjelek szükségesek, ezt jelképezik a K1. ábrán feltüntetett „vizsgálójelek”. Ezek hatását értelemszerűen nem céljelként jelenítik meg a radar kijelzőjén, hanem azt a vevő modulbeállításainak automatikus korrekciójára vagy a meghibásodásokról tájékoztató hibaüzenetek generálására használják fel. 
A holtidőt nem szükséges egyenlően szétosztani a radar minden adási-vételi ciklusa között. Lehetséges az is, hogy adási és rövid vételi szakaszok követik egymást gyors egymásutánban (burst-üzemmód), mielőtt a holtidő bekövetkeznék. Az elektronikusan vezérelt „fázisvezérelt antennarácsú” radaroknál ez azt jelenti, hogy néhány egymást követő impulzust ugyanazon irányban küld ki a radar, amelyek közt nincs szükség az iránykarakterisztika aránylag időigényes módosítására. Előnyös az is, hogy két – egymást gyorsan követő – adóimpulzus között nem valószínű, hogy az adó jelgenerátorának fázisa jelentősen megváltozik, és ez fokozza a távolságmérés pontosságát. A gyors egymásutánban végzett mérések a sebességmérés pontosságát is javítják. Itt azonban kompromisszumra kényszerít az úgynevezett „Doppler-dilemma”.

 

K1ábra

K1. ábra Egy radar adásivételi ciklusa

A Doppler-dilemma

Az impulzusradarokban a vivőfrekvenciát négyszögimpulzusok perio-dikus sorozatával amplitúdómodulálják. Ebből a K2. ábrán látható spektrum adódik: egy „fésűszerű” vonalas spektrum, amelyben a vonalak egymástól mérhető távolságát az impulzusismétlődési frekvencia (PRF) határozza meg. A spektrum szimmetriavonalában, az adási vivőfrekvenciánál ábrázolódik a spektrum maximuma, az egyes minimumhelyek egymástól mérhető távolsága az impulzus-szélesség (τ) reciproka. Ha a céltárgy mozog, a reflektált jel spektruma a Doppler-hatás következtében a céltárgy sebességétől függő mértékben és előjellel eltolódik. (Ez jól szemléltethető például a mozgó tárgyak (például sziréna) által kibocsátott hang magasságának változásával. A pontosság kedvéért jegyezzük meg: amikor itt – és a továbbiakban – „sebességről” beszélünk, az a teljes térbeli sebességvektornak a látóvonallal párhuzamos, radiális komponensét jelenti). Ha ez az eltolódás meghaladja a „fésű” fogai közötti frekvenciatávolságot, a vonalak egyértelmű azonosíthatósága lehetetlenné válik, azaz hasonló jelenség lép fel a frekvenciatartományban, mint amivel az egyértelműen mérhető hatótávolság problémájánál az időtartományban találkoztunk. Ennek következtében a visszavert jelen mérhető Doppler-eltolódás csak akkor használható a sebesség egyértelmű meghatározására, ha a Doppler-frekvencia kisebb a PRF-nél. Ez kétféleképpen érhető el: 

  • Az alkalmazást csak olyan sebességekre korlátozzuk, amelyek a PRF-nél kisebb Doppler-csúszást okoznak. (Ez ugyan csak elméleti lehetőség, mert bizonyos céltárgyaknak nem lehet „megtiltani” hogy gyorsabban közeledjenek vagy távolodjanak a Doppler-frekvenciára megfogalmazott maximumfeltételnélnél. Tudjuk, a tárgyak „makacsok” ☺), 

  • Vagy pedig a PRF-et növeljük meg a feltétel teljesítése érdekében. 

Ez utóbbi viszont ellentmond a „maximális egyértelműen mérhető hatótávolság” problémájánál megfogalmazott feltételnek, amely szerint annál nagyobb ez a hatótávolság, minél nagyobb a PRT, illetve minél kisebb a PRF. Ha tehát a maximális egyértelműen mérhető hatótávolság növelése érdekében megnöveljük a PRT értékét, az szűkíti az egyértelmű Doppler-sebességmérés maximális értékét, és fordítva. (Nem szeretnék „mély” fizikai párhuzamokba belebonyolódni, de a jelenség leírása igen hasonló a Heisenberg-féle bizonytalansági relációéhoz, amely szerint egy elemi részecske sebessége és pozíciója egyszerre csak korlátozott pontossággal mérhető. A párhuzam különösen szembeötlő, ha kiszámítjuk az egyértelműen mérhető távolságmaximum és maximális radiális sebesség szorzatát, amelyben mellesleg mindkét szorzótényező függ a PRF-től: egyenlet1 ahol Rmax az egyértelműen mérhető távolság maximális értéke, vr a látóiránnyal párhuzamos (radiális) sebességkomponens, c a fénysebesség, fTX pedig az adó vivőfrekvenciája. 
A szorzat meglepő módon egyedül az adó fTX vivőfrekvenciájától függ. A levezetéssel itt nem vesződünk). 
A Doppler-dilemma feloldhatatlan ellentmondásnak tűnik, pedig nem állít többet, mint hogy nincs minden célra egyformán alkalmas, univerzális radar. Bár a korszerű (döntően szoftveralapú) technológia ezt is „felülírhatja” bizonyos mértékig: ugyanazon hardveren különböző szoftverek futtatásával oly mértékben eltérő üzemmódok – célfelderítő, célkövető, tűzvezető stb. – valósíthatók meg, amelyeket régebben csak teljesen eltérő konstrukciójú hardverekkel lehetett elképzelni. A távolfelderítő radaroknál a pontos távolságmérés elsődlegessége miatt alacsony PRF, a főként sebességmérésre „kihegyezett” Doppler-radaroknál ellenben a magas PRF választása előnyös.

 

K2ábra

K2. ábra Radarjel spektruma egy spektrumanalizátoron megjelenítve

 

 

Készítette Tóth Ferenc
a www.radartutorial.eu weblap (szerző: Christian Wolff) fordításával, átdolgozásával és bővítésével a GNU Free Documentation License és a Creative Commons „Nevezd meg – Így add tovább 4.0” licence alapján.

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész