RADARUL

BAZELE RADIOLOCATIEI

Student: Dragomir Daniel Alexandru

Grupa: ET 31

Scurt istoricRADAR-ul este o invenţie ce nu poate fi atribuită unui

anumit savant sau unei singure naţiuni. Va trebui să privim radarul ca rezultatul a numeroase eforturi de cercetare şi dezvoltare, realizate în paralel de o serie de oameni de ştiinţă din mai multe ţări. Vom aminti în continuare anumite repere istorice ce corespund descoperirii unor principii fundamentale sau a unor invenţii mai importante:

1865 Fizicianul englez James Clerk Maxwell a dezvoltat teoria luminii electro-magnetice (descrierea undelor electromagnetice şi a propagării lor).

1886 Savantul german Heinrich Rudolf Hertz demonstrează existenţa undelor electromagnetice şi confirmă astfel teoria lui.

1904 Inginerul german Christian Hülsmeyer, specialist în tehnica frecvenţelor înalte, inventează „Telemobiloskop”-ul, aparat pentru evitarea coliziunilor pe mare. El calculează timpul parcurs de o undă electromagnetică până la un obiect metalic (navă) şi înapoi. Cunoscând timpul, este posibilă determinarea distanţei. Acesta este primul experiment practic al radarului. Hülsmeyer îşi brevetează invenţia în Germania şi Marea Britanie.

1921 Inventarea de către Albert Wallace Hull a unui tub oscillator cu un randament ridicat: magnetronul.

1922 Inginerii americani Albert H. Taylor şi Leo C. Young de la Naval Research Laboratory reuşesc pentru prima dată localizarea unei nave construite din lemn.

1930 Lawrence A. Hyland (tot de la Naval Research Laboratory), localizează pentru întâia dată un avion.

1931 Un vapor este echipat cu un radar. Sunt folosite antene cu reflector parabolic, cu radiatoare horn.

1936 Descoperirea clistronului de către George F. Metcalf şi William C. Hahn, amândoi de la General Electric. Acest tub va fi o componentă foarte importantă în sistemele radar ca amplificator sau oscilator.

1940 Sunt dezvoltate o serie de echipamente radar în S.U.A., Uniunea Sovietică (Rusia), Germania, Franţa şi Japonia.

Principii fundamentalePrincipiul de bază privind funcţionarea unui radar

primar este simplu de înţeles. Totuşi, teoria poate deveni destul de complexă. Cunoaşterea acestei teorii este esenţială pentru înţelegerea funcţionării şi operarea corectă a oricărui sistem radar. Proiectarea şi punerea în funcţiune a unui sistem radar primar necesită cunoştinţe din discipline cuprinse într-o arie largă de domenii cum ar fi construcţii, mecanică, electronică, electrotehnică, tehnica microundelor, prelucrarea semnalelor şi procesarea datelor. De asemenea, anumite legi ale fizicii sunt foarte importante.

Măsurarea distanţei cu ajutorul radarului este posibilă datorită proprietăţilor energiei electromagnetice.

Reflexia undelor electromagnetice Undele electromagnetice sunt reflectate dacă întâlnesc o suprafaţă conductoare electric. Dacă undele reflectate sunt recepţionate în punctul de unde au plecat, aceasta înseamnă că pe direcţia de propagare se află un obstacol. 

 

Energia electromagnetică se deplasează prin aer cu viteză constantă, aproximativ egală cu viteza luminii,300,000 kilometri pe secundă, sau186,000 mile pe secundă, sau162,000 mile nautice pe secundă.

Energia electromagnetică se deplasează prin spaţiu în linie dreaptă, traiectoria fiind foarte puţin afectată de condiţiile atmosferice şi meteo. Folosind antene de construcţie specială, această energie poate fi focalizată într-o anumită direcţie dorită. În acest fel se poate determina direcţia obiectelor (în azimut şi elevaţie).

Aceste principii implementate practic într-un sistem radar asigură descoperirea obiectelor şi determinarea distanţei, azimutului şi înălţimii acestora.

Principiul de funcţionare

Antena radarului iluminează ţinta cu un semnal de frecvenţă foarte înaltă, numit semnal de „sondaj”. Acest semnal este reflectat de ţintă şi recepţionat de către receptor prin intermediul antenei. Semnalul recepţionat se mai numeşte şi semnal „ecou”. Semnalul de sondaj este generat de un emiţător de putere mare şi recepţionat de un receptor cu sensibilitate ridicată. Comutatorul de antenă (numit şi duplexor) permite folosirea aceleiaşi antene atât de către emiţător, cât şi de receptor.

Toate ţintele produc o reflexie difuză, adică semnalul este reflectat în toate direcţiile (fenomen numit şi dispersie). Reflexia undelor în direcţie opusă celor incidente se numeşte „backscatter” (reflexie către radar).

Semnalele recepţionate vor fi afişate pe indicator. Acesta este de obicei un indicator de observare circulară (IOC), numit şi indicator panoramic (PPI). Un IOC afişează un vector cu originea în centrul ecranului, corespunzătoare poziţiei radarului, care se roteşte simultan cu antena, indicând direcţia acesteia şi implicit azimutul ţintelor. Vectorul poartă denumirea de „desfăşurare”.

Determinarea distanteiDistanţa este determinată cunoscând timpul de întârziere al

semnalului ecou şi viteza de propagare c0. Distanţa determinată astfel reprezintă distanţa în linie dreaptă dintre radar şi ţintă şi poartă numele de „distanţă înclinată”. Distanţa reală este distanţa în plan orizontal (la nivelul solului) între poziţia radarului şi proiecţia poziţiei ţintei în acest plan. Pentru determinarea acestei distanţe trebuie cunoscută înălţimea ţintei. Deoarece semnalul parcurge drumul între radar şi ţintă de două ori (dus-întors), timpul de întârziere este împărţit la 2 pentru a obţine timpul de propagare de la radar la ţintă. Rezultă astfel următoarea formulă pentru calculul distanţei înclinate:

Determinarea directieiDeterminarea coordonatelor unghiulare ale unei ţinte

este posibilă datorită directivităţii antenei. Directivitatea, numită şi câştigul directiv, reprezintă abilitatea antenei de a-şi concentra energia radiată doar într-o anumită direcţie. O antenă cu o directivitate ridicată se mai numeşte şi antenă directivă. Prin măsurarea direcţiei în care este orientată antena la momentul recepţionării unui ecou se pot determina atât azimutul, cât şi unghiul de înălţare al ţintei (elevaţia). Precizia măsurării coordonatelor unghiulare este determinată de directivitatea antenei, care la rândul ei depinde de dimensiunile antenei.

Sistemele radar lucrează în general cu unde de frecvenţă foarte înaltă. Principalele motive sunt:propagarea cvasi-optică a acestor unde.rezoluţie ridicată (cu cât este mai mică lungimea de

undă, cu atât pot fi mai mici obiectele ce le poate detecta radarul).

cu cât creşte frecvenţa, dimensiunile antenei vor fi mai reduse pentru aceeaşi valoare a câştigului.

Distanţa maximă univocă

Teoretic, distanţa maximă de descoperire a unui radar este cea determinată prin ecuaţia radiolocaţiei. În practică, ea este limitată de timpul de recepţie, mai precis de perioada de repetiţie a impulsurilor.

Sistemul de sincronizare al unui radar este resetat pe momentul zero odată cu emisia fiecărui impuls de sondaj, aceasta pentru că timpul de întârziere şi distanţa se calculează având ca referinţă (moment zero) momentul în care impulsul de sondaj este emis.

DISTANTA MINIMA DE DESCOPERIREUn radar monostatic în impulsuri utilizează aceeaşi antenă

atât pentru emisie cât şi pentru recepţie, aceast lucru fiind posibil datorită comutatorului de antenă. Pe timpul emisiei radarul nu poate recepţiona semnale ecou deoarece traseul de recepţie este blocat de către comutatorul de antenă. Radarul va fi comutat în regim de recepţie doar după transmiterea întregului impuls de sondaj. Timpul de comutare trebuie să fie foarte scurt pentru a descoperi ţintele aflate foarte aproape de radar.

Distanţa minimă de descoperire Rmin reprezintă cea mai mică distanţă a unei ţinte care poate fi detectată de radar (observată pe indicator). După cum se observă, distanţa minimă depinde în principal de durata impulsului τ şi de timpul de comutare trecovery E-R al comutatorului de antenă.

UNGHIUL DE INALTARERadarele pentru determinarea înălţimii sau radioaltimetrele

folosesc antene cu caracteristica îngustă în plan vertical. Pentru descoperirea ţintelor, caracteristica (fasciculul) este deplasată mecanic (prin balansarea antenei) sau electronic în plan vertical. Radioaltimetrele care determină şi azimutul ţintelor trebuie să aibă o caracteristică îngustă şi în plan orizontal.

Unghiul de înălţare (de elevaţie) reprezintă unghiul dintre direcţia spre ţintă în plan vertical şi planul orizontal. Acest unghi este notat de obicei cu litera greacă epsilon ( ). εUnghiul de înălţare ia valori pozitive deasupra orizontului (planului orizontal în care se află radarul), respectiv negative sub orizont.

REZOLUTIA IN DISTANTARezoluţia sau capacitatea de separare a unui radar

reprezintă posibilitatea acestuia de a distinge separat două ţinte aflate foarte aproape una de cealaltă (în distanţă sau în azimut). Radarele pentru conducerea focului, care necesită o precizie ridicată, trebuie să poată să distingă separat ţinte care se află la câţiva metri una faţă de alta. Radarele de supraveghere sunt mai puţin precise şi pot distinge separat ţinte care se află la sute de metri sau chiar kilometri unele de altele. Capacitatea de separare este de două tipuri: capacitate de separare în distanţă şi capacitate de separare unghiulară (de obicei în azimut).

Rezoluţia în distanţă reprezintă capacitatea unui sistem radar de a observa separat două ţinte aflate pe aceeaşi direcţie faţă de radar, dar la distanţe diferite (rezoluţia în distanţă este practic distanţa minimă între ţinte la care ele mai sunt observate separat). Valoarea rezoluţiei în distanţă depinde de durata impulsului de sondaj, tipul şi dimensiunile ţintelor, precum şi de performanţele receptorului şi indicatorului. Parametrul ce influenţează cel mai mult rezoluţia în distanţă este durata impulsului. Un sistem radar bine proiectat ar trebui să poată distinge separat două ţinte aflate la o distanţă corespunzătoare unei jumătăţi din durata impulsului (toţi ceilalţi factori sunt aleşi astfel încât să asigure o eficienţă maximă).

• Utilizarea radarului în navigatie

• Cerinte impuse radarelor navale

• Prevederi COLREG referitoare la utilizarea radarului

Notiuni introductive privind:

Aplicatii ale radarului în navigatia maritimãLa ora actualã nu mai poate fi

conceputã o navã maritimã care sã nu aibã la bord cel putin un radar performant.

Prin conventii internationale, o astfel de dotare a navelor a devenit obligatorie.

Din punct de vedere al echipei de cart, navigatia, mai ales în conditii de vizibilitate redusã, pare de neconceput astãzi fãrã ajutorul unui radar.

Aplicatii ale radarului în navigatia maritimãIndiferent de complexitatea

echipamentului radar de care dispunem, informatia radar trebuie întotdeauna interpretatã logic si corelatã cu toate celelalte informatii disponibile din alte surse, pentru o apreciere exactã a situatiei pe mare.

Având în vedere cerintele impuse la examenele de Brevet, un accent deosebit este pus pe lucrul pe planseta de manevrã pentru rezolvarea manevrelor de evitare.

Aplicatii ale radarului în navigatia maritimã

Din punct de vedere practic existã douã tipuri de activitãti pe durata cartului de navigatie în care utilizarea radarului oferã Ofiterului de Cart informatii deosebit de pretioase în orice conditii de vizibilitate, dar mai ales pe timp de noapte sau în conditii de vizibilitate redusã:supravegherea traficului existent în jurul navei

conducerea si pilotarea navei în conditii de sigurantã.

Prevenire coliziunilor

Nu este suficientã numai detectarea prezentei unei alte nave.

Relevmentul si distanta la aceasta trebuiesc notate din timp în timp pentru a se constata pericolul de coliziune.

Numai în cazul unei plotãri anticipate a pozitiilor succesive ale tintei se poate determina cu certitudine existenta unei situatii de coliziune.

Pentru a se obtine un maxim de informatie si pentru ca aceastã informatie sã fie comformã cu realitatea trebuie întotdeauna sã se tinã cont de performantele si limitãrile tehnice ale echipamentului radar.

Prevenire coliziunilor

Radarul trebuie reglat si operat în mod corect, astfel încât imaginea afisatã pe ecran sã fie de bunã calitate.

Indiferent de calitãtile radarului si de multitudinea facilitãtilor si informatiilor oferite, manevrele de evitare trebuie sã fie conforme prevederilor RIPAM, atât pentru a se asigura eficacitatea lor, cât si pentru a nu induce în eroare cealaltã navã.

Prevenire coliziunilor

Nu trebuie uitate sau trecute cu vederea medotele traditionale de observare si în special veghea vizualã si auditivã.

Atât pe timp de zi, dar si pe timp de noapte, directia de deplasare a unei nave si eventualele ei schimbãri de drum, pot fi vãzute mai repede cu ochiul liber decât pe ecranul radarului.

Imaginea radar si tintele detectate trebuie neapãrat cãutate si identificate vizual pe arcul de orizont, lucru cu atât mai important atunci când,din cauza conditiilor hidrometeorologice,pe ecranul radar apar paraziti.

Asistarea activitãtii de navigatieRadarul poate furniza informatii pretioase în

cazul navigatiei costiere sau a pilotajului în zone dificile.

Prin pilotarea navei întelegem conducerea navei în zone cu pericole de navigatie.

Modul de reflectare al undei radar fiind dependent de proprietãtile reflexive ale tintelor întâlnite, imaginea de pe display va diferi mult fatã de desenul prezentat pe harta de navigatie.

De aceea este foarte important ca radarul sã fie utilizat si în condiþii de vizibilitate bunã pentru a se face o comparatie a calitatãtii imaginii afisate.

Cerinte impuse de IMO Cerinte impuse de IMO (Organizatia Maritimã (Organizatia Maritimã

Mondialã) pentru radarele Mondialã) pentru radarele navalenavale

Cerinte IMOÎn anii `70, când concurenta a început sã

devinã acerbã, producãtorii echipamentelor de radiolocatie s-au vãzut nevoiti sã lupte pentru mentinerea unei piete proprii de desfacere.

Ca urmare tendinta lor a fost de a câstiga clienti, printr-o ofertã de radare navale tot mai sofisticate din punct de vedere electronic si cu calitãti superioare.

În acelasi timp, datoritã aparitiei unui numãr mare de firme producãtoare de radare, armatorii aveau la dispozitie o gamã mult mai largã de produse din care sã aleagã.

Cerinte IMOPentru a limitata instalarea la bord a unor

radare necompetitive, IMO a emis (1982) o rezolutie prin care se impuneau echipamentelor radar parametrii tehnici minimali foarte precisi, în vederea omologãrii ca radare navale.

S-a ajuns astfel la o standardizare, atât din punct de vedere al parametrilor functionali cât si în ceea ce priveste facilitãtile oferite.

Initiativa IMO a venit în sprijinul personalului de punte brevetat, ca utilizator direct al radarului, deoarece indiferent de firma producãtoare, operatorul radar stie de la început ce calitãti si posibilitãti standard îi oferã orice aparat.

Cerinte IMO1. Echipamentul radar trebuie sã

furnizeze indicatii de pozitie corelate între pozitia navei proprii si alte nave, obstructii, balize, coastã, etc., astfel încât sã asiste procesul de navigatie si sã contribuie la evitarea coliziunilor.

Cu alte cuvinte orice echipament radar trebuie sã ofere posibilitatea mãsurãrii unor linii de pozitie cu ajutorul cãrora sã se poatã determina pozitia unei tinte, respectiv pozitia navei noastre functie de o anumitã tintã.

Cerinte IMO2. Bãtaia radarului - în conditii normale

de propagare, cu antena amplasatã la o înãlþime de 15 m deasupra nivelului apei si cu atenuatuarele de clutter pe zero, echipamentul trebuie sã detecteze: linia coastei :

la 20 Mm pentru o coastã cu înãltimea de 60 m la 7 Mm pentru o coastã cu înãltimea de 6 m

obiecte de suprafatã: la 7 Mm o navã de 5000 TRB la 3 Mm ambarcatiuni cu o lungime de 10 m la 2 Mm alte obiecte plutitoare (balize) care au o

suprafatã de reflexie de 10 m2.

Cerinte IMO3. Bãtaia minimã - trebuie sã asigure

detectarea corectã a unei tinte aflate la minim 50 m si pânã la 1 Mm, fãrã a schimba reglajele radarului, exceptând scala de distantã.

4. Ecranul radarului trebuie sã asigure o imagine relativ planã, stabilizatã fatã de linia prova.

Stabilizarea imaginii radar fatã de linia prova (Head Up) constituie regimul standard de functionare pentru orice radar naval.

Cerinte IMO5. Scale de distantã - radarul trebuie sã aibã

în mod obligatoriu urmãtoarele scale de distantã : 1,5 / 3 / 6 / 12 / 24 Mm Si o scalã de distantã micã cu valori cuprinse între 0,5 - 0,8 Mm. Valoarea scalei de distantã si a distantei dintre cercurile fixe trebuiesc afisate în mod vizibil. Pentru scala de 0,5-0,8 Mm trebuie prevãzute minim douã cercuri fixe de distantã. Pentru celelalte scale sunt necesare 6 cercuri fixe de distantã.

Cercurile fixe de distantã au rolul de a permite utilizatorului aprecierea rapidã a distantei la care se aflã o anumitã tintã fatã de nava noastrã.

Cerinte IMO6. Cercul mobil de distantã trebuie sã

dispunã de un afisaj numeric al mãsurãtorii. Eroarea în mãsurarea distantei maxim 1,5% din scala de distantã pe care se lucreazã.42 m pentru scala de 1,5 Mm83 m pentru scala de 3 Mm167 m pentru scala de 6 Mm333 m pentru scala de 12 Mm667 m pentru scala de 24 Mm

Trebuie sã se asigure o reglare a luminozitãtii cercurilor fixe si a cercului mobil de distantã, pornindu-se de la valoarea zero, echivalentã cu stergerea acestor cercuri de pe display.

Cerinte IMO7. Mãsurarea relevmentelor - radarul

trebuie sã fie dotat cu un dispozitiv care sã permitã luarea relevmentului la orice tintã apãrutã pe ecranul radar. Eroarea maximã admisã pentru mãsurarea relevmentului este de 1 grad.

Relevmentele mãsurabile cu ajutorul radarului (Ra sau Rp), sunt functie de modul de stabilizare al imaginii radar. Precizia acestor relevmente depinde în mare mãsurã de precizia cu care a fost pozitionatã antena radar fatã de axul longitudinal al navei si de precizia alinierii cu girocompasul. Acesti factori pot determina erori de valoare fixã în citirea relevmentului.

Cerinte IMO8. Linia prova - trebuie afisatã printr-o linie

continuã care sã nu aibã o grosime mai mare de 0,5 grade (la extremitatea ecranului), eroarea de directie trebuind sã fie de maxim 1 grad. De asemenea, la cerere, linia prova trebuie sã poatã fi stersã de pe ecran.

Limitarea grosimii liniei care marcheazã pe ecran directia prova si posibilitatea stergerii ei temporare au ca scop prevenirea mascãrii unor þinte care se aflã exact în prova navei si al cãror spot luminos poate avea dimensiuni mici.

Cerinte IMO9. Selectivitatea radarului :

pe scala de 1,5 Mm radarul trebuie sã poatã afisa în mod distinct douã tinte similare de mici dimensiuni situate în acelasi azimut, la o distatã de 50 m una fatã de cealaltã. Aceastã separare în distantã trebuie sã fie posibilã atunci când tintele se aflã la o distantã de 50 - 100% din scala radarului fatã de nava proprie.

pe scala de 1,5 Mm radarul trebuie sã poatã afisa în mod distinct douã tinte similare, de mici dimensiuni, situate la aceeasi distantã fatã de nava proprie (50 - 100% din scala radarului), diferenta de relevment dintre cele douã tinte fiind de 2,5 grade.

Cerinte IMOCalitãtile selective ale radarului

sunt foarte importante în special pentru observarea traficului de nave în zone foarte aglomerate sau la pilotarea navei în zone dificile de navigatie.

Separare în Azimut

Separare în Distanþã

Separare în Azimut

Separare în Distanþã

Cerinte IMO11. Echipamentul trebuie sã permitã

cuplarea cu girocompasul, astfel încât imaginea radar sã poatã fi stabilizatã fatã de directia Nord. Precizia alinierii la indicatiile girocompasului trebuie sã fie de 0,5 grade.

De asemenea radarul trebuie sã functioneze în conditii optime si în momentul în care cuplarea cu girocompasul s-a întrerupt, imaginea trebuind stabilizatã functie de linia prova.

Cerinte IMO12. Echipamentul trebuie prevãzut

cu un dispozitiv de autotestare care în timpul operãrii radarului sã furnizeze informatii referitoare la o eventualã defectare a echipamentului. Aceste dereglãri ale echipamentului trebuie semnalate chiar si în absenta unei tinte detectabile radar.

Cerinte IMO13. Operare :- echipamentul trebuie sã poatã fi pornit de

la panoul central- butoanele de operare ale radarului

trebuie sã fie accesibile si usor de identificat. Acolo unde tastele sunt notate cu simboluri, aceste simboluri trebuie sã corespundã listei recomandate de IMO.

- dupã pornirea “de la rece” radarul trebuie sã devinã operational în maxim 4 minute.

- trebuie prevãzut o pozitie de stand-by, din care radarul sã devinã operational în 15 secunde.

Cerinte IMO14. Dispozitive de plotare - dacã

echipamentele radar sunt dotate cu sisteme de plotare manualã sau automatã a tintelor, aceste dispozitive trebuie sã fie eficace.

Dispozitivele de plotare asigurã determinarea traiectoriei unei tinte direct pe ecranul radarului, fãrã a mai fi nevoie de o plotare graficã pe planseta de manevrã.

Pentru ca datele privitoare la aceastã traiectorie sã fie cît mai aproape de realitate, procesorul care îndeplineste acestã functie trebuie sã respecte anumiti parametrii.

Reguli COLREG(reguli internationale pentru prevenirea coliziunilor pe mare)referitoare la utilizarea radarului

COLREG face referiri exprese la modul în care trebuie interpretatã informatia radar îi special în evaluarea situatiilor de foarte mare apropiere.

Sunt specificate conduita si manevrele pe care trebuie sã le întreprindã o navã pentru evitarea unei situatii de coliziune.

Radarul este evaluat ca un generator de informatii suplimentar, care, pe lângã veghea vizualã si auditivã îl ajutã pe navigator sã aprecieze corect situatia realã.

Chiar si atunci când nava dispune de un radar performant (ARPA), iar manevra de evitare se face pe baza solutiei testate cu ajutorul facilitãtii TRIAL sau PAD, rezultatul efectiv al manevrei întreprinse trebuie urmãrit si verificat cu atentie, pânã la evitarea completã a celeilalte nave.

Introducerea încã din acest moment a prevederilor COLREG este necesarã pentru întelegerea ulterioarã a principiilor care guverneazã manevrele de evitare, respectiv a algoritmilor de radar plotting.

În conditiile navigatiei moderne utilizarea informatiei radar s-a extins în orice situatie de vizibilitate, atât pentru monitorizarea traficului cât si pentru asistarea navigatiei curente.

Este mult mai usor de evaluat o anumitã situatie în momentul în care informatia radar poate fi corelatã cu o observare vizualã a tintelor respective, lucrurile fiind mult mai complicate când o astfel de comparare nu mai poate fi fãcutã datoritã unor conditii de vizibilitate redusã.

Bibliografiewww.google.ro

www.wikipedia.ro