Predavanje 3

ELEKTRONIČKA NAVIGACIJA
RADAR
RADAR
• Riječ RADAR je skraćenica engleskih riječi RADIO DETECTING AND RANGING
(otkrivanje objekata i mjerenje njihove udaljenosti radio-signalom)
• Princip rada radara je sljedeći: vrlo kratki impuls elektromagnetske energije
emitira se u okolni prostor, odbija se od objekta i vraća do prijemnog dijela
uređaja. Povratak jeke je dokaz da se u okolini vlastitog broda nalazi neki objekt, a
vrijeme proteklo od trenutka emisije signala do povratka jeke je upravo
proporcionalno udaljenosti do tog objekta
• Radarska jeka je vrlo složena pojava: udarom EM vala u određeni objekt elektroni
u atomskim ljuskama prelaze u viša energetska stanja. Prestankom djelovanja EM
impulsa elektroni se vraćaju na svoje normalne staze/orbite emitirajući pritom
višak energije koji radar prepoznaje kao povratnu jeku sa objekta
• Prelazak elektrona na više orbite je tim izraženiji a time i radarska jeka jača što je
objekt bolji vodič električne struje
Određivanje udaljenosti i smjera pomoću radara
• Uz pretpostavku konstante brzine širenja EM valova c=299790 (300000 km/s)
vrijeme potrebno da EM signal pređe put od antene do objekta i natrag jednako
je:
2
Određivanje udaljenosti i smjera pomoću radara
2
• Navedeno vrijeme (t) mjeri se
jednolikim pomicanjem svjetle
točke iz središta ekrana prema
njegovom rubu, uz
pretpostavku da se svjetla
točka u trenutku emitiranja
impulsa nalazila u središtu
ekrana
Određivanje udaljenosti pomoću radara
• Uz V = const. , udaljenost d je
prava mjera udaljenosti objekta
u prostoru.
• Ako nije ispunjen uvjet da je V =
const. tada se radi o nelinearnoj
vremenskoj bazi , a posljedica
toga je netočno mjerenje prave
udaljenosti d do objekta
Određivanje smjera pomoću radara
• Svjetla točka se pomiče ekranom
radara pod djelovanjem
magnetskog polja stvorenog
zavojnicama. Struja napajanja
otklonskih zavojnica tj. struja koja
napaja otklonske zavojnice ima
oblik zupca pile koji linearno raste
od nule i naglo pada na nula kada
svjetla točka dosegne rub ekrana
• Ova pilasta struja zove se i
vremenska baza (time base) jer se
upravo pomoću nje mjeri vrijeme t
definirano jednadžbom
2
• Pojavom ARPA radara izrađeni su novi tipovi radarskih ekrana.
• Unutar pravokutnog oblika ekrana formira se panoramska slika standardnog kružnog oblika, dok
se preostali prostor ispunjen podacima o vlastitom brodu, odabranim objektima ili nekim drugim
navigacijskim podacima. Svjetla točka započinje svoje putovanje ekranom u njegovom gornjem
lijevom uglu ispisuje prvu liniju i naglo se vraća na početak ekrana uz istovremeni pomak prema
dolje za debljinu jedne linije. Tako se formira matrica elementarnih malih površina (PIXEL) čijim se
osvjetljenjem formira radarska slika
• Smjer prema objektu (pramčani kut-nestabilizirani radar ili azimut-stabilizirani
radar) radar određuje sinhronom vrtnjom radarske antene i otklonskih zavojnica
koje se nalaze na grlu katodne cijevi
• Mjera sinhronizacije vrtnje je položaj pramčanice na ekranu radara (kod
nestabiliziranog radara pramčanica je paralelna s uzdužnicom broda i 0° je u
uzdužnici broda, a kod stabiliziranog radara 0° na ekranu radara je određeno
pomoću ponavljača žiro-kompasa i poklapa se s 0˚ geografskog sjevera)
• Veza između vremenske i prostorne osi je brzina svjetlosti. Kod izražavanja puta
signala do objekta i natrag vrijedi relacija :
RAD RADARA
• Primjerice predajni impulsi se emitiraju svakih 500µs=0,0005s pa je frekvencija
ponavljanja impulsa PRF=2000imp/sec (jer je 0,0005*2000=1sec)
• Između dva emisiona impulsa odašiljač (predajnik) radara miruje
• Prijemnik je za vrijeme rada predajnika zaštićen od snažnog emisionog impulsa
vlastitog predajnika
• Vrijeme za koje je prijemnik blokiran je duže od emisionog impulsa toliko koliko je
potrebno sustavu da iz stanja emitiranja pređe u stanje prijema
• Vremenska baza pokreće se sinkrono s emisionim impulsom i traje ovisno o
odabranom dometu radara (RANGE)
Blok shema RADARA
• Karakteristični tijek signala u radaru prati se pomoću blok sheme radara
• Radar se sastoji od četiri osnovne jedinice :
•
•
•
•
Odašiljač (transmitter)
Pokazivač (display)
Antena (scanner)
Motor generator (MG)
• Radar kao cjeloviti sustav ima pet temeljnih funkcionalnih cjelina :
•
•
•
•
•
Odašiljački sklop (transmitting system)
Prijemni sklop (receiving system)
Sustav vremnske baze (time base system)
Antenski sklop (scanning system)
Sustav napajanja (power unit)
• Treba posebno istaknuti da se dio prijemnog sustava nalazi u odašiljačkoj jedinici
Blok shema radara
1. Prvi sinhronizacijski krug radara
• U okidnom sklopu (trigger unit) nastaju sinhronizacijski impulsi
(lock pulses=LP) koji sinhroniziraju rad svih sklopova radara
• Jedna grana LP-a preko modulatora pokreće magnetron koji
istosmjernu energiju prikupljenu u modulatoru u vremenu
između dva emisijska impulsa pretvara u VF energiju. Ta
energija kreće se valovodom prema anteni i prema TR ćeliji
(transmit/receive cell) koja se aktivira i tako zapriječi prolaz
signala ka prijemniku
• Povratni impuls (jeka s objekta) vraća se se sa antene istim
valovodom i prolazi preko TR ćelije koja se je u međuvremenu
deaktivirala. Da bi se slab signal prijema mogao pojačati snizuje
mu se frekvencija. To se radi da se signal miješa sa signalom
lokalnog oscilatora (klystron) na poluvodičkoj diodi (mikser).
Frekvencija lokalnog oscilatora može biti viša ili niža od
prijemne frekvencije za 60 MHz tako da njihovim miješanjem
nastaje novi signal čija je frekvencija jednaka razlici prijemnog
signala i signala lokalnog oscilatora . Njihovim miješanjem
nastaje novi signal čija frekvencija je jednaka razlici prijemnog
signala i signala lokalnog oscilatora ( razlika 60 MHz.
Prvi sinhronizacijski krug radara
• Novostvoreni signal se pojačava prvi put u
predpojačalu koje se nalazi uz mikser.
Sljedeće pojačanje nastaje u
međufrekventnom pojačalu, zatim nakon
demodulacije u video pojačalu. Tako
pojačani signal vodi se do katodne cijevi
(CRT) gdje pojačava intenzitet svjetle točke
i tako označava postojanje objekta u
prostoru (target)
• Druga grana (LP-lock pulse) preko sklopa za
brisanje smetnji (clutter) blokira prijemnik
štiteći tako predpojačalo od smetnji
nastalih djelovanjem dijela emisione
energije ukoliko se uspjela probiti preko TR
ćelije
• Treća grana LP-lock pulse preko impulsnog
sklopa pokreće vremensku bazu i
kalibracijske prstenove i daljinar
Drugi sinhronizacijski krug radara
• Drugi sinhronizacijski krug radara- neovisan je o prvom krugu ,
a to je antenski sustav sa svojim generatorom, PPI motorom,
pogonskim mehanizmom i otklonskim zavojnicama. Na shemi
je taj sustav označen oznakom ROTACIJA. Generator koji je
mehanički spojen s antenskim motorom i pogonski mehanizam
otklonskih zavojnica čine SELSINSKI SINHRONIZACIJSKI SUSTAV
koji omogućuje mjerenje pramčanog kuta ili azimuta. Kod
takvih sustava osovina prijemnika odnosno PPI motora
sinkrono prati zaokret osovine predajnika-generatora na
anteni. Iz tog razloga su smjer isijavanja EM valova u prostoru i
smjer otklona svijetle točke odnosno zrake na ekranu radara
potpuno jednaki tako da se slike otkrivenih objekata pojavljuju
na pravim pramčanim kutovima/azimutima.
• Ovaj sustav nije osjetljiv na početni raskorak između položaja
antene i položaja otklonskih zavojnica (to je u slučaju kada
pramčanica po uključivanju radara nije u položaju obilježenom
nulom). Zbog toga se ugrađuje dodatni elektronički sklop koji
automatski ili poluautomatski postavlja pramčanicu u položaj
označen nulom
Elementi radarskog prikaza
• U skladu sa IMO Rezolucijom na ekranu radara trebaju neprekidno biti definirana
četiri osnovna elementa radarskog prikaza:
• Prikaz vrste kretanja: razlikuju se dva prikaza vrste kretanja. To su True motion (pravo
kretanje, svi objekti i vlastiti brod kreću se kao u stvarnosti) i Relative motion (relativno
kretanje, kod njega se kreće samo vlastiti brod dok su svi ostali objekti nepokretni)
• Orijentacija radarske slike: razlikuju se sljedeće vrste orijentacije:
• COURSE UP
• HEAD UP
• NORTH UP
• Stabilizacija radarske slike: razlikuju se dvije vrste stabilizacije slike:
• SEA STABILIZATION (stabilizacija kroz vodu)
• GROUND STABILIZATION (stabilizacija preko dna)
• Vrste vektora: mogu se koristiti dvije vrste vektora:
• TRUE VECTORS (pravi vektor)
• RELATIVE VECTORS (relativni vektori, za procjenu sudarne opasnosti)
Osnovne karakteristike radarskih valova
• Emitirani impuls radara opisuje se sa četiri temeljna parametara: valna duljina (ʎ),
ili frekvencija (f), jer je (c = f x λ) , vrijeme trajanja impulsa (širina impulsa- τi),
frekvencijom ponavljanja impulsa odnosno brojem impulsa u jedinici vremena
(PRF- pulse repetition frequency) i amplituda (A)
Karakteristike radarskih valova
• Radarske frekvencije nalaze se u rasponu od 30 MHz do 100 GHz. Navigacijski
radari trgovačkih brodova na moru rade na frekvencijama 9GHz- ʎ=3cm (X-band),
3 GHz- ʎ=10cm (S-band), te na riječnim brodovima ʎ=8mm -(Q-band).
• Prednosti radara viših frekvencija su: radarska slika s više detalja, manje dimenzije
antene uz iste karakteristike isijavanja, više energije u impulsu iste širine
• Na slici je prikazan polarni dijagram snage isijavanja radarske antene koji se još
naziva „lepeza isijavanja”
• Kutevi α se definiraju na polovici maksimalne snage isijavanja antene
Karakteristike radarskih valova
• U stvarnosti radar umjesto jedne lepeze u prostoru formira čitav niz lepeza
• Navedeno znači da manja valna dužina s većim brojem užih lepeza bolje pokriva
prostor odnosno slika je bogatija detaljima. Druga važna prednost radara manje
valne duljine je potreba kraće antene radara
• Mnoge radarske antene rade s tzv. valovodom s porezima (sloted waveguide)
Karakteristike radarskih valova
• Vertikalnim valovodom energija se iz magnetrona dovodi do antene što završava
na horizontalno postavljenom dijelu na kojem se nalaze prorezi pod određenim
kutem i razmakom. EM val koji izlazi kroz proreze faznim zbrajanjem formira na taj
način glavnu lepezu i bočne lepeze.
Karakteristike radarskih valova
• Prednosti radara većih valnih dužina (S-band -10cm) su: veći domet radara, bolji rad u lošim
vremenskim uvjetima iz razloga što je manje gušenje signala i povećani domet radarskog
horizonta zbog veće valne duljine. Šireći se prostorom EM valovi slabe. Gušenje ovisi o
atmosferskim prilikama (prvenstveno vlaga u zraku) i o valnoj duljini radara
• Na sljedećem dijagramu prikazano je gušenje EM vala česticama vode
Izbor dužine impulsa
• Drugi značajan parametar radarskog impulsa je njegovo vrijeme trajanja.
Općenito dužine impulsa mogu biti od 0,25µs do 2µs, ovisno o tipu radara i
uvjetima korištenja. Općenito duži impulsi imaju više energije i veća je
vjerojatnost da će do objekta stići signal dovoljne jačine za povrat jeke
• S druge strane dugi impuls povećava minimalni domet radara i pogoršava
razdvajanje objekata po udaljenosti
• Općenito kod radara koriste se dugački impulsi za veće domete i u lošim
vremenskim uvjetima, a kraći impulsi za manje domete i bolje vremenske uvjete
Frekvencija ponavljanja impulsa (PRF)
• Broj impulsa u jedinici vremena suvremenih radara kreće se u rasponu od 500 do
2000 imp/sec
• Manjim dometima pripada veći PRF, a većim dometima manji PRF
• PRF se automatski mijenja promjenom dometa radara

Download Report