A radartechnika alapjai 6. rész – A radaregyenlet a gyakorlatban

Radartechnikai sorozatunk eddigi részeiben főként az alapfogalmak bevezetésére koncentráltunk, hogy az olvasó minél hamarabb képet alkothasson a fogalmak rendszeréről. Ennek érdekében bizonyos részletek felett elsiklottunk. Kár lenne azonban ezt a mulasztást „véglegesíteni”, mert a részletek is számos tanulsággal szolgálhatnak.

Tekintsük át a radar néhány tulajdonságának hatását a hatótávolságra.

Adóteljesítmény

Sorozatunk 3. részében^[1] vezettük be a radar hatótávolságára vonatkozó, „radaregyenletnek” nevezett összefüggést. Hogy most ennek további következményeit értékelhessük, ismételjük meg itt ezt az összefüggést:

, ahol P_T az adóteljesítmény, G az antennanyereség, σ a céltárgy radarkeresztmetszete, λ a radar hullámhossza, P_Emin a vevő által még éppen érzékelhető jelteljesítmény, Ltot pedig a reális radar működése közben fellépő veszteségek összesített értéke.
Vizsgáljuk meg, milyen következményekkel jár ez a radar adóteljesítményére nézve. A kifejezésben – egy adott radarberendezés esetében – P_T kivételével minden állandó. A precíz fogalmazás kedvéért tegyük hozzá: az „adott radarberendezés” fogalma helyett pontosabb egy „adott mérési szituációt” említeni, hiszen a σ radarkeresztmetszet a céltárgy tulajdonsága, az L^_tot -értékben pedig atmoszférikus hatások is szerepet játszanak. Jelen megfontolásunk során azonban ezek hatását is egyetlen konstans szorzótényezőbe vonhatjuk össze. Végeredményben tehát

, ami azért lényeges, mert a nagy teljesítményű radarok adójában elektroncső (rendszerint magnetron) az aktív alkatrész, és az elektroncsövek (gazdaságosan) csak jelentős paraméterszórással gyárthatók. A radaregyenletnek ebből a leegyszerűsített formájából azonban az a megnyugtató következtetés vonható le, hogy a hatótávolság csak nagyon kis mértékben függ az adóteljesítménytől. A szemléletesség kedvéért: ±10%-os teljesítményszórás csak kb. ±2,5%-os hatótávolság-változást okoz. Ez jelentős hibatűrést eredményez például olyan radaroknál, amelynek adóberendezését azonos konstrukciójú modulokból állítják össze. Ha tehát például az adó 16 azonos modulból áll, és ezek közül egy meghibásodik, a közel 8%-os teljesítménykiesés következtében a hatótávolság csak mindössze 2%-kal csökken.
Ez azonban nem mindig jó hír a radarfejlesztőknek. Ugyanis egyben azt is jelenti, hogy amennyiben egy radarkonstrukció hatótávolságát pusztán az adóteljesítmény növelésével kívánjuk – a példa kedvéért – megkétszerezni, ehhez 16-szorosára (!) kell növelnünk az adóteljesítményt, amiért a méret, a tömeg, a tápteljesítmény és a biztonsági kockázatok igen költséges növekedésével kell fizetnünk.

Vevőérzékenység

Az erre vonatkozó paraméter, a P_Emin (a vevő által még éppen érzékelhető jelteljesítmény) ugyancsak a negyedik gyök alatt szerepel a radaregyenletben, de a nevezőben. Ezért a P_Emin csökkenése (a vevő érzékenységének növelése, zajának csökkentése) növeli a hatótávolságot. Bár ennek a részleteibe itt nem mehetünk bele, feltételezhető, hogy (azonos mértéket feltételezve) a vevőérzékenységet – egy bizonyos határon belül – az adóteljesítménynél talán kisebb járulékos konstrukciós költséggel lehet növelni.
A vevőérzékenységnek a radartechnikában nincs egységes meghatározása. A gyakorlatban a vevő bemeneti jelének legkisebb – még feldolgozható – teljesítményszintjét hagyományosan az MDS-nek nevezett paraméterrel fejezik ki. A megnevezést gyakran kétféle jelentésben használják: a „Minimum Discernible Signal” (szó szerinti fordítása „a legkisebb észlelhető jel”) annak a jelnek a dB-ben kifejezett teljesítményszintjét jelenti, amelyet a radarkezelő személy még éppen képes visszavert jelként azonosítani. Tipikus értéke ‑110…‑113 dBm, de ez a radarkezelő szubjektív megítélésétől (például tapasztalataitól) is függ. Szerencsétlen módon ugyanez a rövidítés használatos a „Minimum Detectable Signal” (minimális detektálható jel) fogalom jelzésére is, ami már a szóhasználat miatt is félreértésekre adhat alkalmat: a vevő „detektálhat” olyan jelet is, amelyet – kis jelszintje miatt – nem tud helyesen kiértékelni. A radarvevőt minősítő Minimum Detectable Signal értékét – egységes definíció híján – a gyártó mérési körülményeinek pontos specifikációját ismerve lehet csak helyesen értelmezni. Mérése például oszcilloszkóppal történhet a vevő középfrekvenciás erősítőjének kimenetén, még a detektálás (jelfeldolgozás) előtt az 1. ábra szerint. Tipikus értéke ‑100…‑103 dBm, de jelentős mértékben függ például a radarjel detektálásakor alkalmazott statisztikai algoritmusok hatékonyságától. Amint az 1. ábrából is látható, az MDS-érték szoros összefüggésben van a vevő zajszintjével (ehhez viszonyítva mérjük ugyanis a vett jel 3 dB-lel kiemelkedő értékét). Köztudomású, hogy a vevő jel/zaj-viszonyát döntő mértékben a kis jelű bemeneti fokozat zajszintje határozza meg, de nem feledkezhetünk meg arról, hogy más zajforrásokkal is számolnunk kell. Minden egyes mikrohullámú jelcsatlakozás jellemzően 0,5 dB-lel növeli a vevő zaját, és a tápvonal is termel bizonyos mennyiségű zajt. Ezek önmagukban is mérhetők, és az eredmények felhasználhatók a zajmérés kalibrációjához.

1. ábra

Kevésbé jól kezelhető az antenna és a radom környezeti (időjárás, por, nedvesség stb.) kölcsönhatásaiból adódó járulékos zaj. A szennyeződések hatását illusztrálja a Bell Telephone holmdeli (New Jersey, USA) műholdas kommunikációra kidolgozott kürtantennájával (2. ábra) 1965-ben történt elhíresült eset. Az antennát üzemeltető mérnökök, Arno Penzias és Robert Wilson az antenna zaját az elméleti számítások alapján valószínűsíthetőnél magasabbnak mérték. Először ők is szennyeződésekre gyanakodtak. Alapos „takarítást” végeztek, kezdve az antennában fészkelő galambok „kiköltöztetésével”. A zaj csökkent, de nem eléggé. Ezután a maguk közt csak „fehér dielektrikumnak” nevezett „galambnyomokat” is le kellett súrolni. A zaj ismét mérhetően csökkent, de sehogy sem sikerült egy bizonyos érték alá leszorítani. A lehetséges további okok kizárása után kénytelenek voltak feltételezni, hogy a zaj nem helyi, és mivel minden irányból lényegében azonos intenzitással megfigyelhető, nem is földi eredetű, spektruma pedig megegyezik egy 2,7 K-es hőmérsékletű fekete test termikus sugárzásáéval. Az így felfedezett kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást tekintik ma a kozmológia tudományát forradalmasító Ősrobbanás-elmélet fő fizikai bizonyítékának. A holm-deli antenna ma „nemzeti történelmi emlékhely”, Penzias és Wilson eredményét pedig 1978-ban a fizikai Nobel-díjjal ismerték el.

2. ábra Holmdel antenna (forrás: NASA)

Minden decibel számít – frekvenciadiversity-radar

A korábbiakban említettünk bizonyos – a radarvevő működését befolyásoló – interferenciajelenségeket. Ezek a céltárgy látszólagos méretének zavaró fluktuációjában nyilvánulnak meg. A rádióvétel-technika közismert megoldása az antennadiversity-vevő, amelyben két, egymástól bizonyos távolságra elhelyezkedő, független antenna és bemeneti fokozat működik. A különböző felületekről reflektált jelek erősítő vagy gyengítő hatása az antenna helyétől függ, és ha két antennát alkalmazunk, ez a hatás az antennák helyétől függően eltérő. A két antennáról vett jelek összegzésével megszüntethető a jelkimaradások hatása. Hasonlít erre a frekvencia-diversity radar elve is, de itt a két jelet a frekvenciájuk különbözteti meg egymástól. A két eltérő frekvenciájú adóimpulzus egyszerre is kibocsátható, de ez az adóegység teljes megkettőzését igényli. A reflektált jelet pedig a kétféle frekvenciára hangolt két vevőegység értékeli, és kimeneti jelük összegzésével a vett jelet érintő interferencia hatása csökkenthető. Lehet az elérő frekvenciájú jeleket időben eltolva is az antennára juttatni. Ez esetben a vevőcsatornák kimeneti jelének alkalmas késleltetésével összegezhető a két reflektált jel. Az utóbbi előnye, hogy a két jel időbeli elkülönítésével nem keletkeznek zavaró kölcsönhatások (intermodulációk a nemlineáris elemeken), egyszerűbb a felépítés, a tápteljesítmény-igény ciklusonként nem egyetlen csúcsban, hanem időben kettéosztva jelentkezik. Ironikus, hogy még szakmabeliek közt is előfordulnak olyan vélekedések, hogy ennek a megoldásnak az értelme a redundancia: az egyik adóegység kiesésével a radar még üzemképes marad, a hatótávolság is (a cikk elején tárgyalt „negyedik gyökös összefüggés” értelmében) csak 70%-ára csökken. A valódi indok azonban a hatótávolságnak a kimenőteljesítmény megkétszereződéséből (3 dB) származó – nem túl jelentős – növekedésén kívül az MDS-értéknek (a fluktuáció hatásának elmaradásából adódó) kb. 2,8 dB-es további javulása. A megoldás stabilabb, időben kevésbé változó képet alkot a céltárgyakról, azonban árnyoldala is van: a két jel együttes spektruma – azok különbözősége miatt – összességében szélesebb az egyfrekvenciás eszközökénél. Ezért – katonai célú radaroknál – megnövekszik az esély, hogy az ellenséges elektronikus felderítés észlelje a radarberendezés működését.

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.

^[1] A radartechnika alapjai – 3. A radar hatótávolsága. Magyar Elektronika Szakfolyóirat, 2016/4. pp 31-33.

A cikksorozat korábbi részei: