magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Radartechnika lid kep

Már egyetlen radar is jelentősen kiterjeszti az emberi érzékelés határait, jókora térrészt „lefedve”. Hálózatokban alkalmazva pedig a radar akár földrésznyi területek „fehér foltoktól” mentes ellenőrzésére is alkalmas. Cikksorozatunk e havi folytatásában a radarfedettség néhány vonatkozását vesszük szemügyre.

 

 
 
2D- és 3D-radarok

A radarlefedettség azt a területet vagy légteret jelenti, amelyet egy radar vagy radarhálózat ellenőrzése alatt képes tartani. A legegyszerűbb kérdés, amire egy ilyen rendszertől választ várunk, a radarcéltárgy térbeli elhelyezkedése, mozgásának iránya és sebessége. Ilyenek például a légtérvédelmi radarok, amelyek hatótávolsága meghaladja a 300 mérföldet (kb. 550 km-t), és egy teljes kört figyelnek. A légtérvédelmi radarokat két fő kategóriára osztjuk az általuk szolgáltatott információ jellege szerint. Azok a radarok, amelyek a céltárgynak csak a földfelszínre vetített helyzetét, mozgásának irányát és sebességét adják meg, kétdimenziós (2D-) radaroknak nevezzük. A 3D-radarok az előbbieket a céltárgy magasságával is kiegészítik.

2D- és 3D-légtérfigyelés

A légtérvédelmi radarokat korai előrejelző eszközökként alkalmazzák, mivel képesek az ellenséges repülőgépek vagy rakétafegyverek közeledését már viszonylag nagy távolságból előre jelezni. Ez a korai előrejelzés létfontosságú a sikeres ellenintézkedések megtétele szempontjából: repülőgépes támadás esetén céljuk, hogy minél több időt adjanak a légvédelmi (csöves vagy rakéta) tüzérség és/vagy az elfogó vadászrepülők magas készültségi fokozatba helyezéséhez, valamint megjelöljék a célt a tűzvezető (célkövető) radar számára. Ugyancsak a légtérvédelmi radarok feladata a járőröző harci repülőgépek ellátása olyan pozícióinformációkkal, amelyek alapján azok az ellenséges gép elfogásához szükséges helyzetbe manőverezhetnek. Az elfogó repülőgép hangkapcsolattal vagy manapság egyre gyakrabban informatikai adatkapcsolattal kapja meg ezeket az információkat. A 2D- és a 3D-radar iránykarakterisztikája között szembetűnő a különbség: az előbbi elsősorban a „felszínre fektetett”, korlátozott magasságú, „lapos hengerrel” közelíthető térrész felügyeletére alkalmas (1. ábra), amelynek meredek elevációjú, kiugró „fülei” csak az alkalmazott antenna „nem kívánt tulajdonságának” tekinthetők. A 2D-antennák optimális függőleges iránykarakterisztikájának az „állandó magasságú”, vagy „matematikusabban” szólva, a „koszekáns négyzet” karakterisztikájú antennákat tekintik (2. ábra). Az antenna iránykarakterisztikájának formálására a paraboloidtól „eltérített” felületű antennákat használnak (3. ábra).

 

1 

1. ábra

 

2

2. ábra

 

3

3. ábra

 

A 2D-radar optimálisan „lapos” iránykarakterisztikájával szemben a 3D-radar iránykarakterisztikájának függőleges metszete nagy távolságról is jó reflexiókat adó „füleket” tartalmaz annak érdekében, hogy a radar a távolság- és az azimutadattal együtt a céltárgy felszín feletti magasságának meghatározására is alkalmas legyen (4. ábra). (Megjegyezzük: a térbeli iránykarakterisztikák forgástest-alakja – magától értetődően – abból ered, hogy a radarantennát forgatják a céltárgy azimutjának meghatározása érdekében.)

4

4. ábra

 

A csend kúpja

Az említett légtérellenőrző radarok nem képesek a radar telepítési helye felett található céltárgyak felderítésére. Azt a függőleges tengelyű kúpfelületet, amelyen belül a radar nem érzékeli a céltárgyakat, „a csend kúpjának” nevezik (az 5. ábrán a piros kúpfelület belseje). Ezt a kúpszöget az antenna függőleges iránykarakterisztikájának célszerű megválasztásával érdemes a lehetőség szerint szűkíteni. Gyakorlati tapasztalatok alapján a 2D-radarnál a csend kúpjának szélessége a magasság kétszerese, tehát ha például a céltárgy 3000 m magasságban repül, az – ha 6000 m-nél jobban megközelíti a radar telepítési helyét – „eltűnik” a csend kúpjában. Ezt a jelenséget lehet megszüntetni több 2D-radar „hálózatos” telepítésével, ugyanis a megfelelően elhelyezett szomszéd radarok „látják” az egymás „csendkúpjában” található légteret (6. ábra), és ezzel „hézagmentes” lefedettség érhető el. A 6. ábra alsó képén látható, hogy egy 2D-radar csendkúpjainak lefedéséhez a hatótávolsághoz képest kis távolságban elhelyezett második radar is elegendő – és a lefedettség magától értetődően kölcsönös.

 

5

5. ábra

 

6

6. ábra

Kis magasságú lefedettség

Az 1. ábrán látható lapos henger alapja – amennyiben az alatta elterülő földfelszín nem tagolt – meglehetősen „sima”, és kb. 0,5°-kal emelkedik a széle felé. Ezért a kis magasságú radarfedés korlátozott hatótávolságú. A hatótávolságot korlátozza a földfelszín nagyobb távolságoknál már nem elhanyagolható görbülete is. (Itt jegyezzük meg, hogy a radar mikrohullámú sugárzását csak felületes közelítéssel tekinthetjük a vizuális látással azonos viselkedésűnek. Valójában a látható fényénél jóval nagyobb hullámhosszuk miatt a radarhullámok az akadályok (ideértve a vizuális horizontot is) mentén elhajlanak (diffrakció), ezért jóval nagyobb távolságban is érzékelhetők. A „radarhorizont” tehát tágabb a vizuális horizontnál, különösképpen a környezetből kiemelkedő helyre telepített radarok esetén (7. ábra). A mikrohullámú sugárzás az akadályokon való áthatolóképesség szempontjából is másképp viselkedik, mint a látható fény: egy vizuális takarást okozó fasoron például képes áthatolni.) Dombokkal, hegyekkel tagolt felszín esetén az elméleti hatótávolság csökken, a kiemelkedő domborzati elemek árnyékolják a mögöttük elterülő alacsonyabb felszín feletti légteret. Mindezek miatt a különlegesen kis magasságban mozgó repülőgépek elvileg elkerülhetik, hogy a légtérellenőrző radar detektálja a jelenlétüket. A gyakorlatban azonban ez nem könnyű, hiszen a repülőgép vezetőjének a radarhálózat több elemének holtzónái ismeretében kell megválasztania útvonalát és magasságát.

 

7

7. ábra


A radarhálózat elemeinek helyét tehát úgy kell megválasztani, hogy a detektálhatóság alsó magassághatárát olyan kis értéken tartsák, ahogy csak lehetséges. Könnyű elképzelni, hogy ez milyen nehéz feladat például Svájcban vagy Ausztriában, ahol a bonyolult domborzati viszonyok között szinte megvalósíthatatlan a teljes radarfedettség. Az ilyen országok védelmi rendszerét mobil radarállomások egészítik ki („réskitöltő radar”), amelyeket szükség esetén az „érzékeny” lefedetlen területekre vezényelnek.
A radarhálózat egymást átfedő állomásaival elérhető – lehetőleg – hézagmentes fedettség követelményei a radarhálózat rendeltetésétől függően különbözőek.

  • A légtér-felügyeleti radaroknál (Air Surveillance Radar – ASR) vagy azok hálózatánál például már kb. 100 m magasság felett zárt, hézagmentes fedettséget kell megvalósítani. (A nagyságrendek érzékeltetésére itt jegyezzük meg, hogy egy ASR tipikus hatótávolsága 220 km, az érzékelési tartomány felső határa pedig nagyjából 3000 m).

  • Aktív védelmi helyzetben (válságszituációban) még alacsonyabb alsó érzékelési magasságra lehet szükség, viszont a csendkúpok átfedése nem lényeges követelmény.

  • A légiforgalmi irányításban ellenben a csendkúpok hatásának kiküszöbölése elengedhetetlen.

  • A repülőtértől távolabbi (>50 km) légi tevékenység figyelésénél a 100 m alatti érzékelésre egyáltalán nincs szükség.

  • Igen nagy repülőterek esetében, mint amilyen a müncheni is, a redundancia érdekében két terminálkörzeti radar (Terminal Area Radar) is működik, a repülőtér észak-déli tengelye mentén, egymástól 8  km távolságra. Ezek csendkúpja átfedi egymást.

  • Időjárási radaroknál a német nemzeti meteorológiai szolgálat (Deutscher Wetterdienst) Németország teljes területét 17, egyenként 150 km-es hatótávolságú radarral lefedi. E hálózat állomásai nyilvánvalóan túl távol vannak egymástól ahhoz, hogy egy hagyományos légtérellenőrző radar csendkúpjai bizonyosan ne fedjék át egymást. Azonban az alkalmazott Meteor 1500C radarok parabolaantennája függőlegesen felfelé is fordítható, ezért csendkúp nem keletkezik. Ezeknél a radaroknál az alsó érzékelési határ 200 m körüli, ami légtérellenőrzésre alkalmatlan, az időjárási radaroknál azonban teljesen megfelelő.

 

 „Trükkök” a vevőérzékenységgel

A vevőegység a radartechnikában szinte sohasem lineáris – és érzékenysége néha még csak nem is időfüggetlen. Ennek oka, hogy a vevő bemeneti fokozatának a céltágy távolságától és radarkeresztmetszetétől függően rendkívül eltérő amplitúdójú jeleket kell feldolgoznia. Nagy jeleknél a túlvezérlődés elkerülésére alacsony érzékenységet kell megvalósítani, a kis jelek megbízható detektálásához ellenben – a lehető legkisebb zajjal – nagy érzékenységre van szükség. 
Az egyik ilyen képességű megoldás a logaritmikus erősítő, amelynek erősítése a bejövő jel amplitúdójának logaritmusától függ (egyszerűen szólva „decibelben lineáris”). 
A másik általánosan alkalmazott módszer az automatikus erősítésszabályozás (Automatic Gain Control – AGC). 
Míg az előző két módszer a kommunikációs technológiákból jól ismert, létezik egy jellegzetesen radartechnikai megoldás is: a vevő érzékenységének időfüggő változtatása, pontosabban a radar impulzusismétlési periódusának tartama alatti növelése. Az ötlet lényege, hogy minél távolabbról (tehát később) érkezik vissza egy reflektált jel, annál kisebb az amplitúdója; a módszer tehát elnyomja a rövid időn belül visszaérkező (tehát közeli), nagy intenzitású reflexiókat, és „kiemeli”a nagy késésű, gyenge jeleket. Az érzékenység az adóimpulzus kibocsátása előtt nullára csökken, és innen növekszik – egy töltődő kondenzátor feszültség-idő függvényéhez hasonló exponenciális görbe szerint – a maximumig. Ez megvédi a vevőt az adóból „átszivárgó” nagy teljesítményű jel, valamint a közeli célokról visszaverődő, nagy amplitúdójú reflexiók által okozott túlvezérléstől. Tipikus megoldás, hogy az érzékenység az adóimpulzus kibocsátásától számítva nulláról nagyjából 600…700 µs alatt (ami kb. 100 km körüli céltávolsággal egyenértékű) éri el a maximális értékét, és onnan állandó. 
Az érzékenység változtatása nemcsak az idő, hanem az antennapozíció (azimut) függvényében is megvalósítható. A dinamikusan változó, az antenna azimutjától és a visszaérkező reflektált jel idejétől (tehát a távolságtól) függő érzékenység egy (bizonyos határok közt) tetszés szerint formálható, időben is változtatható iránykarakterisztikát eredményez. (Megjegyezzük, hogy az „iránykarakterisztika” kifejezést eddig főleg az „érzékenység mint az eleváció függvénye” értelemben használtuk (ez a térbeli iránykarakterisztika függőleges metszete). Ezúttal az eddigiektől eltérően az „érzékenység mint az azimut függvénye” értelemben használjuk, amely a térbeli iránykarakterisztikának mintegy a „felülnézete”).

 

 

Készítette Tóth Ferenc
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

5. rész

6. rész