Radars

Spraugu antena

Radars, arī radiolokators, ir ierīce, kas paredzēta, lai atklātu tuvumā esošos objektus un mērķus, un, mūsdienās, arī, lai noteiktu attālumu un virzienu uz tiem. Latviešu valodā lieto trīs dažādus nosaukumus, kuri apzīmē vienu un to pašu iekārtu: radars (cēlies no angļu valodas), lokators (cēlies no krievu valodas) un radiolokators. Radara galvenās sastāvdaļas ir raidītājs, antenas iekārta, mikseris, uztvērējs, displejs un barošanas iekārta.

Radara darbības pamatprincipi

Radara impulss

Vārds radars ir cēlies no "radio detection and ranging". Radars rāda apkārtējos objektus plankumu veidā (arī naktī, miglā un lietū). Tas domāts kuģu drošai vadīšanai. Neaizvietojams ejot caur blīvas kustības rajoniem. Visplašāk izmantotais radionavigācijas līdzeklis. Katram kuģim pastāvīgi jāveic pienācīga vizuālā un audio novērošana, kā arī novērošana, izmantojot visus esošos līdzekļus atbilstoši esošajiem apstākļiem un nosacījumiem, tā, lai pilnībā varētu novērtēt situāciju un sadursmes draudus. Radiolokācijas iekārta, ja tā uzstādīta un darbojas, pareizi jālieto, ieskaitot novērošanu uz tālās novērošanas skalas, ar mērķi laikus saņemt brīdinājumu par sadursmes draudiem, kā arī novēroto objektu radiolokācijas kursa nolikšanu vai līdzvērtīgu sistemātisku to novērošanu. Radara princips ir šāds: īslaicīgs elektromagnētiskās enerģijas daudzums tiek izstarots, atstarojas no mērķa un daļa atgriežas radarā.

Ja varētu izmērīt laiku starp impulsa noraidīšanu un atgriešanos un, ja zināms šī impulsa izplatīšanās ātrums, tad atbilstoši fizikas likumiem, attālums ir ātrums reiz laiks: D=(ātrums*laiks)/2. Ar 2 jādala, jo impulss, ejot līdz mērķim un atpakaļ, noiet divreiz lielāku attālumu nekā attālums līdz mērķim.

Šis pats princips tiek izmantots arī eholotā, tikai tur lieto skaņas viļņus. Elektromagnētiskais lauks izplatās horizontāli un viļņu veidā, kā viļņi no ūdenī iemesta akmens. Viļņu garums jūras radaros ir 3 cm (X band) un 10 cm (S band). Raidāmajam enerģijas daudzumam jābūt ļoti īslaicīgam. Ja gribētu uzzināt attālumu līdz klintij ar kuģa sirēnas palīdzību un ievērot laiku, kad atbalss atnāk atpakaļ, ir jādod īss signāls. Ja pūtiens būs par ilgu, atbalss atnāks kamēr vēl skanēs pūtiens un nevarēs uzņemt pienākšanas laiku. Piemērs tiek minēts tāpēc, ka tāpat ir ar radaru. Jo impulss ir īsāks pēc laika, jo agrāk var sākt uztvert atstaroto impulsu. Tātad minimālais uztveršanas attālums ir mazāks lietojot īslaicīgāku impulsu.

Impulsa ilgums

Impulsu veido raidītājs. Tā ilgumu izsaka mikrosekundēs, t. i. sekundes miljonajās daļās. Praktiski impulsu ilgumi ir no 0,05 - 1 mikrosekundei.

Impulsu sekošanas frekvence

Impulsu sekošanas frekvence ir impulsu skaits sekundē. Tā var būt 1000 vai 2000. Radaram ir īslaicīgi impulsi un lielāka impulsu sekošanas frekvence darbam mazos attālumos. Un ilgāki impulsi, un mazāka impulsu sekošanas frekvence darbam uz lielākiem attālumiem. Tātad lieliem attālumiem nav svarīgi iegūt minimālu novērošanas distanci, tāpēc impulss var būt ilgāks un līdz ar to arī jaudīgāks. Radars nevar atšķirt atstarojumu no viena impulsa un atstarojumu no otra, tāpēc raidītājam jāstrādā tā, lai gaisā būtu tikai viens impulss vienlaicīgi.

Raidīšana un uztveršana

Elektromagnētiskās enerģijas impulsu veido raidītājs un virzienu tam piešķir antena. Antenas uzdevums ir izejošos radio viļņus izveidot šaurā starā. Klasiskā antena ir paraboliskas formas metāla reflektors, kura fokusā izvietots rags. Šīs konstrukcijas ideja ir tāda, ka no fokusa izstarotās enerģijas stari visi ir paralēli ierīces asij. Šī antena atgādina satelīttelevīzijas šķīvi.

Mūsdienās uz tirdzniecības kuģiem izmanto spraugu antenu. Tā sastāv no taisna viļņvada, kura šaurākajā malā izgrieztas spraugas. Rags aptver visu viļņvada garumu un veido vertikālo stara platumu. Katra sprauga darbojas kā atsevišķa antena un visu spraugu kopīgais efekts veido vajadzīgo šauro staru no visas antenas. Visa antena ar ragu ievietota korpusā no speciāla materiāla, lai laistu cauri radioviļņus un aizsargātu no atmosfēras iedarbības un putekļiem. Motors un antena kopā veido antenas iekārtu. Antena izstaro šauro staru virzienā kādā tā vērsta. Antena arī savāc atstaroto enerģiju tāpat kā palielināmais stikls savāc Saules starus fokusa. Tā kā impulsa ātrums ir daudz lielāks salīdzinot ar antenas griešanās ātrumu, tad antenas virziens izstarojot katru impulsu un uztverot to ir viens un tas pats. No antenas atstarotais signāls nokļūst uztvērējā, kur tiek pastiprināts un novadīts uz ekrāna.

Stara platums un izstarošanas diagramma

Izstarošanas diagramma

Radara staru var salīdzināt ar prožektora staru, kurš griežas un apgaismo apkārtni īsu momentu. Var iedomāties arī līdzīgu staru uz ekrāna, kas griežas sinhroni ar antenu un līdzīgi krāsu otiņai atzīmē visus atstarotos signālus, kas pienāk antenā. Lai būtu precīzs virziens, staram horizontālā plaknē jābūt šauram, bet vertikālā platam, lai varētu apstarot mērķus arī kuģim svārstoties, un arī, lai uztvertu tuvos, t.i. zemos objektus vismaz līdz 50 m attālumam.

Nav iespējams izveidot antenu bez sānu daivām. Tuvās distancēs tās uzrāda viltus mērķus. Horizontālā stara platums 3 cm radariem ir līdz 4 grādiem. Vertikālā stara platums 15 - 30 grādi.

Radaram visvairāk piemēroti ir 3 cm un 10 cm viļņu garumi. Katram no tiem ir savas priekšrocības un trūkumi. Uz kuģa jābūt vismaz diviem radariem, viens 3 cm, otrs 10 cm.

Attāluma mērīšanas principi

Attāluma mērīšana ar horizontālo izvērsi

Attālumu līdz objektam mēra apmēram tāpat kā mēs mērītu laika intervālu starp kuģa sirēnas pūtienu un atbalss saņemšanu no klints. Radioviļņu mērīšanai nevar izmantot hronometru, jo tie izplatās ļoti ātri. Var lietot tikai elektronisku laika mērīšanas ierīci un tāda ir elektronstaru lampa, kuru arī izmanto radaros. Elektroni tiek emitēti no katoda un virzīti uz ekrānu. Arī atstarotie signāli no mērķiem parādās uz ekrāna. Elektroni bombardē punktu ekrāna vidū, ko sauc par plankumu. Elektronu plūsmas intensitāti sauc par spožumu (brill). Spožums tiek regulēts elektroniski ar tīkliņu. Plankuma diametru regulē ar fokusēšanas iekārtu. Plankums var tikt virzīts pa ekrānu ar vienmērīgu ātrumu. Tas veido līniju, ko sauc par izvērsi. Izšķir divu veidu elektronstaru lampas. Pirmā ir horizontālā izvērse. Izvērse ir horizontāla. Atstarotie signāli tiek atzīmēti kādā noteiktā peilējumā t.i. virzienā, kurā notēmēta antena dotā momentā, ar mazu līnijas pacēlumu. Šādā sistēmā, ja grib izmērīt virzienu un distanci, antenu vajag apstādināt. Attālumu pārrēķina no mikrosekundēm uz jūdzēm. Otrais ir apkārtnes apskata indikators. Izvērses sākums ir centrā. Izvērse rotē sinhroni ar antenu un atstarotie signāli tiek uztverti un saglabājās (neizdziest) vismaz viena apgrieziena laikā. Novērotājs iegūst visu apkārtējo objektu attēlus, ko viņš varētu redzēt laukā no antenas uzstādīšanas vietas. Atstarotie signāli parādās spilgtu plankumu veidā.

Tai pašā momentā, kad impulss atstāj antenu, plankums ekrānā atstāj centru un virzās uz ekrāna malu, kā taisna līnija ar pastāvīgu ātrumu. Ja atstarotais signāls atgriežas un tiek uztverts uztvērējā un novirzīts uz ekrānu, tad veidojās intensīvs plankums attiecīgajā virzienā un attālumā.

Attālums no centra līdz plankumam (t.i. uztveršanas laikam) ir distance, ko raidītāja impulss veica līdz mērķim un atpakaļ. To ņem vērā izveidojot attālumu skalu. Ekrāns ir kalibrēts jūras jūdzēs. Kad izvērses plankums sasniedz ekrāna malu, tas atgriežas atpakaļ centrā. Atgriešanās notiek ātrāk un neatstāj aiz sevis spožu sliedi. Centrā plankums mazliet pagaida un tad, reizē ar nākamā impulsa izstarošanu no antenas, atkārto savu ceļu. Ekrānā iegūtais attēls ilgst vairākas sekundes pirms izdziest. Kad viens antenas apgrieziens ir beidzies, attēls tiek atjaunināts. Viens antenas un izvērses apgrieziens ilgst apmēram 3 s. Pa to laiku 3000 līdz 6000 stari veidojās un rotē ekrānā.

Peilēšanas principi

Apkārtnes apskata indikators sniedz nepārtrauktu peilējuma informāciju visapkārt. Kad antena ir virzienā uz kuģa priekšgalu, īsu laika sprīdi tiek palielināts spožums un ekrānā veidojās heading mark. Tā attēlo kuģa diametrālo līniju - pakaļgals, priekšgals. Izvērses rotācija ir sinhronizēta ar antenas rotāciju, tāpēc virzienu, kurā parādās atstarotais signāls, salīdzina ar virzienu uz kuģa priekšgalu, un to dara apkārt ekrānam novietojot kursu skalu un arī peilējumu skalu (var būt abas). Antenas virziens var tikt ņemts tas pats kā raidot tā uztverot, jo starp raidīšanu un uztveršanu ir mikrosekunde un virziens uz mērķi praktiski nemainās.

Rastra jeb televīzijas tipa displejs

Sakarība starp polārajām un taisnleņķa koordinātām

No iepriekš teiktā izriet, ka katrs atstarotais signāls var tikt noteikts ar diviem lielumiem - distanci un peilējumu. No ģeometrijas viedokļa tās ir polārās koordinātas. Šīs koordinātas var pārveidot taisnleņķa sistēmas koordinātās: x=r*cosθ, y=r*sinθ. To izdara mikroprocesors. Rastra displejs sastāv no liela daudzuma jūtīgiem elementiem. Tie ir sakārtoti horizontālās rindās un vertikālos stabiņos. Tādam ekrānam ir daudz vairāk priekšrocību: lielāks spožums dienā, vienkāršāk dublēt, fotografēt, ievadīt atmiņā un izsaukt no atmiņas. Var veidot mērķu pēdas.

Viļņa garums un frekvence

Iepriekš tika noskaidrots, ka elektromagnētiskais lauks iziet no antenas līdzīgi ūdens viļņi izplatās prom no sakustināšanas vietas. Viļņa raksturojums ir viļņa garums. Dažreiz radaru rokasgrāmatās nelieto nosaukumu viļņa garums, bet vilnis tiek raksturots ar nosaukumu frekvence. Frekvence ir ciklu skaits sekundē. Lielumi viļņa garums un frekvence ir saistīti savā starpā ar formulu: viļņu izplatīšanās ātrums=frekvence*viļņa garums.Viļņu izplatīšanās ātrums ir 3*10^10 cm/s. 3,2 cm viļņu garums atbilst 9410 MHz un 10 cm viļņu garums atbilst 3000 MHz.

Raidītājs

Radara blokshēma. Zilais kvadrāts ir raidītājs, sarkanais - uztvērējs, zaļais - displejs

Raidītājs ietver trigera ķēdi un modulatoru, kuri nosaka impulsu sekošanas frekvenci un vēl magnetronu, kas izstrādā impulsu. No magnetrona impulss tiek vadīts pa tukšu taisnstūrveida cauruli, ko sauc par viļņvadu uz spraugu antenu. Spraugu antena var būt apmēram 2 - 4 m gara. Antenas garums nosaka stara platumu, jo garāka antena, jo stars šaurāks un peilējums precīzāks. Antena ievietota korpusa, kas aizsargā no atmosfēras iedarbības. Tā kā viena un tā pati antena izstaro impulsus un uztver atstarotos pa vienu viļņvadu, ir iekārta T/R, kura raidīšanas laikā automātiski atslēdz uztvērēja ieeju, t.i. antenas pārslēgs. Viļņvads nedrīkst būt par garu, citādi impulss un atstarotie signāli tiks noslāpēti. Netīrumi un mitrums arī samazina signāla stiprumu. Dažreiz ir ierīkotas speciālas žāvēšanas iekārtas.

Atstarotais signāls no antenas nonāk uztvērējā caur kristāla mikseri. Mikseris saņem klistrona ražotu enerģiju, kuras frekvence daudz neatšķiras no magnetrona frekvences. Klistrons tāpat kā magnetrons ir radioviļņu ģenerators. Mikseris izdod rezultējošo frekvenci, ko sauc par starpfrekvenci, kura ir zemāka. Šāda shēma tiek lietota visos mūsdienu radaru uztvērējos un tās mērķis ir vienkāršot pastiprināšanu. Viļņvads tiek izmantots tajā radara daļā, kur ir ļoti augsta frekvence. Pēc miksera tā vairs nav augsta un signāla tālākai virzīšanai lieto parastus (televīzijas) kabeļus. Pārveidotā frekvence saglabā impulsa raksturu, tiek pastiprināta un virzīta uz ekrānu. Uztvērējā vēl ir jūtīguma (pastiprināšanas) ķēde GAIN un traucējumu novēršanas ķēde (shēma) A/C (anti clutter). Displeja iekārtā atrodas attāluma marķiera ķēde D (distance) un attāluma gredzenu ķēde RANGE. Pie elektronstaru lampas vēl tiek pievienots:

1)laika bāzes ķēde, lai ekrānā varētu mainīt attalumu skalu, 2)antenas griešanās signāls (ROT (rotation)), t.i., lai izvērse griestos sinhroni ar antenu, 3)spožuma ķēde BRILL, 4)virziena līnijas ķēde HM, kas ekrānā rāda virzienu uz priekšgalu, un to sauc heading mark.

Shēmā attāluma ķēde RANGE, spožuma ķēde, laika bāze u.c. ir sinhronizētas ar trigera palīdzību un sāk savu darbību reizē ar impulsa raidīšanas sākumu.

Izvietošana

Tipiska jūras radara displejs

Raidītājs parasti novietots atsevišķā telpā netālu no antenas. Uz raidītāja jābūt atzīmei, cik tālu tas jānovieto no magnētiskā kompasa. Dažos radaros raidītājs un mikseris ir antenas iekārtā kopā. Tā var izvairīties no viļņvada, kurā zūd enerģija. Uztvērējs parasti novietots vienā blokā ar raidītāju, kaut arī dažas tā sekcijas var būt displeja iekārtā.

Galvenie faktori, kas ietekmē antenas novietojumu ir ēnu sektori un izvairīšanās no nepareizu virzienu atstarotiem signāliem. Uz tirdzniecības kuģiem antenas izvietošana labā vietā ir grūta, jo tur ir daudz šķēršļu: masti, dūmeņi, konteineri, krava. Uz kara kuģiem stāvoklis ir daudz labāks. Galvenokārt priekšroku dod novietojumam centrālajā līnijā, jo tas dod skaidru radara apskatu pa labi un pa kreisi, kas ir svarīgi sastopoties ar citiem kuģiem un apdzenot šaurumos, bet, ja liela kuģa daļa ir priekšpusē, tad var būt arī labāk novietot kreisajā pusē, lai šaurumos būtu skaidrs skats tieši uz priekšu. Novietojot antenu tālu priekšā jāievēro, ka tad uz maziem attālumiem kompasa peilējumi var nesakrist ar radara peilējumiem. Augsta antenas izvietošana palielina radara horizontu, bet uz tirdzniecības kuģiem svarīgāka ir situācija vidējos attālumos un mazos. Augsts antenas izvietojums vajadzīgs ledlaužiem. Prāmjiem ir divas antenas - viena priekšgalā, otra pakaļgalā - ar pārslēgu sardzes telpā. Ja antena būs par zemu, tad ēnas sektors radīsies no kuģa priekšgala un minimālais attālums palielināsies. Ja ir vairākas antenas vienam raidītājam, var būt šādas kombinācijas: 1)viena augstu, otra zemu, 2)viena vidū, otra sānos, 3)viena vidū, otra pašā priekšgalā.

Displejs izvietots sardzes telpā un orientēts tā, lai skatoties ekrānā, kuģa vadītājs stāvētu ar seju pret kuģa priekšgalu. Dažiem kuģiem mūsdienās ir otrs displejs kursa atlikšanai. Moderni kuģi ir iekārtoti ar stūres telpas un karšu telpas kombinējumu, kas vienkāršo radara izmantošanu. Ja ir divi displeji, viens no tiem var strādāt uz īsām distancēm, otrs uz vidējām. Ja ir divi radari, vienam jābūt 3 cm, otram 10 cm.

Barošanas iekārtas tiek izmantotas, lai pārveidotu kuģa galveno enerģijas veidu tādā formā, kas piemērota radara barošanai. Pārveidotāji var būt trokšņaini, tādi, kuriem ir kustīgas detaļas, tāpēc tos izvieto attālākās telpās.

Skatīt arī

• Antena
• Eholots
• Radara vēsture
• Fotoradars

Ārējās saites

• Video par jūras radaru. (krieviski)
• Marine Insight raksts par jūras radaru (angliski)