RÁDIÓLOKÁCIÓ ALAPJAI

BOLYAI JÁNOS KATONAI MŰSZAKI FŐISKOLA

Ferenczy Gábor - Szűcs Péter - Balog Károly

RÁDIÓLOKÁCIÓ ALAPJAI

- Budapest, 1998 -

BOLYAI JÁNOS KATONAI MŰSZAKI FŐISKOLA Nyt. szám:

RÁDIÓLOKÁCIÓ ALAPJAI Főiskolai jegyzet

Készítette: Ferenczy Gábor okl. mk. őrnagy, főiskolai docens Szűcs Péter okl. mk. őrnagy, főiskolai tanársegéd Balogh Károly okl. mk. százados, főiskolai tanársegéd Lektorálta: Dr. Som Ferenc okl. mk. őrnagy, főiskolai docens

- Budapest, 1998 -

Tartalomjegyzék

TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS………………………………………………………………………………………………….5 1

A RÁDIÓLOKÁCIÓ ............................................................................................................................. 9 1.1 A RÁDIÓLOKÁCIÓ FIZIKAI ALAPJAI..................................................................................................... 10 1.2 A RÁDIÓLOKÁCIÓ FOLYAMATA .......................................................................................................... 11 1.3 LOKÁTOROK OSZTÁLYOZÁSA ............................................................................................................ 11 1.3.1 A lokátorok rendeltetés szerinti felosztása............................................................................... 12 1.3.2 A lokátor állomások felosztása az elrendezés módja szerint ................................................... 13 1.3.3 A rádiólokáció módszere szerint felosztás ............................................................................... 14 1.3.4 Adatszolgáltatás szerinti felosztás: .......................................................................................... 16 1.3.5 Hullámtartomány szerinti felosztás: ........................................................................................ 17 1.3.6 Rádiólokációban használatos frekvenciatartományok............................................................. 19 1.3.7 Hullámterjedési sajátosságok, zajok, zavarok ......................................................................... 21 1.4 A LOKÁTOROK ALKALMAZÁSI TERÜLETEI ......................................................................................... 26 1.4.1 A lokátor alkalmazása azonosításra ........................................................................................ 26 1.4.2 A lokátor repülésbiztonsági alkalmazása ................................................................................ 27 1.4.3 A lokátor navigációs alkalmazása ........................................................................................... 27 1.4.4 A lokátor meteorológiai alkalmazása ...................................................................................... 27 1.4.5 A lokátor alkalmazása a fegyverirányításban.......................................................................... 27 1.4.6 A lokátorok alkalmazásának egyéb területei ........................................................................... 28

2

RÁDIÓLOKÁCIÓS CÉLTÁRGYAK MÉRÉSÉNEK ALAPJAI................................................... 29 2.1 TÁVOLSÁGMÉRÉS .............................................................................................................................. 30 2.2 SZÖGMÉRÉS ....................................................................................................................................... 31 2.3 SEBESSÉGMÉRÉS ................................................................................................................................ 32 2.4 MÉRÉSI MÓDSZEREK .......................................................................................................................... 35 2.4.1 A távolságmérés módszerei...................................................................................................... 35 2.4.2 A szögmérés módszerei ............................................................................................................ 37

3

A RÁDIÓLOKÁTOROK HARCÁSZAT-TECHNIKAI JELLEMZŐI ......................................... 43 3.1 RÁDIÓLOKÁTOROK HARCÁSZATI JELLEMZŐI ..................................................................................... 45 3.1.1 Maximális hatótávolság (Rmax) ................................................................................................ 45 3.1.2 Szabadtéri hatótávolság .......................................................................................................... 46 3.1.3 A rádiólokátor hatótávolságát csökkentő tényezők.................................................................. 52 3.1.4 Rádiólokátorok gyakorlati hatótávolsága ............................................................................... 57 3.1.5 Minimális hatótávolság ........................................................................................................... 58 3.1.6 Távolság szerinti felbontóképesség (ΔR ) és mérési pontosság ............................................... 59 3.1.7 Rádiólokátorok szög szerinti felbontóképessége (Δβ,Δϑ) és mérési pontossága..................... 62 3.1.8 A légtér letapogatási sebessége ............................................................................................... 66 3.1.9 Rádiólokátorok zavarvédettsége .............................................................................................. 68 3.2 RÁDIÓLOKÁTOROK TECHNIKAI JELLEMZŐI ........................................................................................ 69 3.2.1 Az adó teljesítménye (Pa) ......................................................................................................... 69 3.2.2 Az adó frekvenciája (fa) ........................................................................................................... 70 3.2.3 Az antenna sugárzási karakterisztikája (G,β,ϑ) (teljesítmény-irányjelleggörbe) .................... 71 3.2.4 A rádiólokátor vevő érzékenysége és sávszélessége ................................................................ 79 3.3 A RÁDIÓLOKÁCIÓS CÉLTÁRGYAK HATÁSOS KERESZTMETSZETE ........................................................ 79

4

KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ LOKÁTOROK .......................................................................................... 85 4.1

LOKÁTOROKBAN ALKALMAZOTT MODULÁCIÓS MÓDOK .................................................................... 85

-3-

Tartalomjegyzék 4.2 FOLYTONOS HULLÁMÚ LOKÁTOROK................................................................................................... 86 4.2.1 Modulálatlan (CW) folytonos hullámú lokátor ........................................................................ 86 4.2.2 Lineáris frekvenciamodulált (FM) lokátorok ........................................................................... 88 4.2.3 Zajmodulált folytonos hullámú lokátor .................................................................................... 90 4.3 IMPULZUSÜZEMŰ LOKÁTOROK ........................................................................................................... 92 4.3.1 Modulálatlan, impulzusüzemű amplitúdó-demodulációs lokátor ............................................. 92 4.3.2 Modulálatlan, impulzusüzemű fázisdemodulációs (MTI) lokátor ............................................ 93 4.3.3 A lineáris frekvenciamodulált impulzusüzemű lokátor ............................................................. 98 4.3.4 Fáziskód-modulált lokátor ..................................................................................................... 100 4.4 A KERESŐ (FELDERÍTŐ) LOKÁTOR .................................................................................................... 103 4.4.1 A kereső lokátor feladata ....................................................................................................... 103 4.4.2 Az ideális kereső lokátor ........................................................................................................ 104 4.4.3 A valóságos kereső lokátor .................................................................................................... 108 4.4.4 A kereső lokátor általános felépítése...................................................................................... 112 4.5 A KÖVETŐ (MÉRŐ) LOKÁTOR ............................................................................................................ 114 4.5.1 Szögkövetés ............................................................................................................................ 115 4.5.2 Távolságkövetés ..................................................................................................................... 119 4.5.3 Sebességkövetés...................................................................................................................... 121 4.5.4 Sebességkövetés impulzusüzemű lokátor esetén ..................................................................... 122 5

RÁDIÓLOKÁTOR ÁLLOMÁSOK FELÉPÍTÉSE, FŐBB RÉSZEI. .......................................... 125 5.1 ANTENNA-TÁPVONALRENDSZER ...................................................................................................... 126 5.2 ADÓBERENDEZÉS ............................................................................................................................. 127 5.2.1 Impulzusmodulált adók főbb részei ........................................................................................ 128 5.3 VEVŐBERENDEZÉS ........................................................................................................................... 130 5.3.1 Rádiólokátor vevők rendeltetése ............................................................................................ 130 5.3.2 Rádiólokátor vevők legfontosabb paraméterei ....................................................................... 131 5.3.3 Rádiólokátor vevők általános felépítése ................................................................................. 131 5.3.4 Rádiólokátor vevők nagyfrekvenciás erősítő fokozatai .......................................................... 133 5.3.5 Rádiólokátor vevők nagyfrekvenciás keverő fokozatai ........................................................... 133 5.3.6 Rádiólokátor vevők helyi oszcillátorai ................................................................................... 134 5.3.7 Rádiólokátor vevők középfrekvenciás erősítő fokozatai ......................................................... 134 5.3.8 Amplitúdó-detektorok (videó-detektorok) ............................................................................... 135 5.3.9 Videó-frekvenciás erősítők ..................................................................................................... 135 5.3.10 Rádiólokátor vevők szabályozókörei ...................................................................................... 135 5.4 INDIKÁTOR ....................................................................................................................................... 140 5.5 ANTENNAMOZGATÓ RENDSZER ........................................................................................................ 142 5.6 ZAVARVÉDŐ RENDSZER .................................................................................................................... 144 5.6.1 Rádiólokációs zavarok ........................................................................................................... 145 5.6.2 A zavarvédelem általános módszere....................................................................................... 146 5.6.3 Frekvenciaszelektivitás........................................................................................................... 147 5.6.4 A passzív zavarok kiszűrésének módszerei ............................................................................. 148 5.6.5 Aktív zavarok szűrése ............................................................................................................. 148

6

A RÁDIÓTECHNIKAI FELDERÍTŐ ADATSZERZÉS TECHNIKAI ALAPJAI ..................... 149 6.1 RÁDIÓLOKÁTOR KISUGÁRZÁSOK JELLEMZŐI .................................................................................... 149 6.1.1 Impulzusjellegű rezgések ........................................................................................................ 151 6.1.2 Nem modulált impulzus-sorozat ............................................................................................. 152 6.1.3 Modulált impulzus-sorozat ..................................................................................................... 153 6.1.4 Nem modulált csoport (széria) impulzusok ............................................................................ 153 6.1.5 Modulált csoport impulzusok ................................................................................................. 154 6.2 VIVŐFREKVENCIA MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI ..................................................................... 155 6.2.1 A keresés nélküli módszer ...................................................................................................... 155 6.2.2 A kereséses módszer ............................................................................................................... 156 6.3 IMPULZUSSZÉLESSÉG (IDŐTARTAM) MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI .......................................... 158 6.3.1 Időmódszer ............................................................................................................................. 159 6.3.2 Kalibrált indított kitérítés ....................................................................................................... 160 6.3.3 Kondenzátor töltésének módszere .......................................................................................... 161 6.3.4 Automatikus módszer.............................................................................................................. 162 6.3.5 Spektrummódszer ................................................................................................................... 162

-4-

Tartalomjegyzék 6.4 IMPULZUSISMÉTLŐDÉSI FREKVENCIA (IDŐTARTAM) MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI ................. 162 6.4.1 Összehasonlító módszer: ....................................................................................................... 163 6.4.2 A kalibrált indított kitérítési módszer .................................................................................... 164 6.4.3 Időjelek módszere .................................................................................................................. 164 6.4.4 Automatikus módszer ............................................................................................................. 165 6.4.5 Spektrummódszer ................................................................................................................... 166 6.5 IMPULZUSSZÉRIA HOSSZÚSÁG MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI................................................... 166 6.5.1 Kalibrált frekvenciával .......................................................................................................... 166 6.5.2 Hallás után ............................................................................................................................ 166 6.5.3 Kalibrált indított kitérítés módszere ...................................................................................... 166 6.6 ANTENNA FORGÁSI SEBESSÉG MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI ................................................... 167 6.6.1 Időmódszerrel ........................................................................................................................ 167 6.6.2 Kalibrált indított kitérítés ...................................................................................................... 168 6.7 A MODULÁLT IMPULZUSJELEK FORMÁJÁNAK ÉS JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA ........................ 168 6.7.1 Oszcilloszkópos megfigyelés .................................................................................................. 168 6.7.2 Indított kalibrált kitérítés ....................................................................................................... 169 6.8 A FOLYAMATOS JELLEGŰ REZGÉSEK JELEI MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI ................................ 169 6.8.1 Nem modulált folyamatos jelek .............................................................................................. 169 6.8.2 A modulált folyamatos jelek................................................................................................... 170 6.9 RÁDIÓLOKÁTOROK OLDALSZÖGÉNEK MÉRÉSI MÓDSZEREI .............................................................. 170 6.9.1 Maximum mérési módszer ..................................................................................................... 170 6.9.2 Minimum mérési módszer ...................................................................................................... 171 6.9.3 Összehasonlító módszer ......................................................................................................... 172 6.9.4 Fázis összehasonlító módszer ................................................................................................ 176

-5-

BEVEZETÉS A jegyzet elkészítésével az volt célunk, hogy ismertessük a rádiólokációval kapcsolatos alapfogalmakat és alapismereteket. Nem törekedtünk a rádiólokáció, illetve a lokátorok és azok működésének teljes és kimerítő ismertetésére, mert a jegyzet első sorban a rádióelektronikai felderítő szakos hallgatók részére készült. A rádióelektronikai, vagy pontosabban a rádiótechnikai felderítéshez nincs szükség arra, hogy teljes mélységben ismerjük a lokátorok működését. A lokátorok felderítéséhez az a fontos, hogy tudjuk, milyen frekvencián, milyen modulációs móddal és milyen egyéb jellemzőkkel sugározzák ki a jeleket. A rádiótechnikai felderítés ezeknek a jeleknek a detektálására és jellemzőinek a mérésére irányul. A rádiólokáció alapjait - a rádióelektronikai felderítő szakos hallgatók a „Rádiólokáció alapjai”, vagy az új tanterv szerint a „Rádiólokáció”, tantárgy keretében tanulják. A tantárgy alapismereteket nyújt a "Rádióelektronikai felderítő eszközök rendszertechnikája" tantárgy rádiótechnikai felderítő eszközök című tárgykörében tanult berendezések rendszertechnikai felépítésének és működésének megértéséhez. A jegyzet felépítése a következő: Az első fejezetben a rádiólokáció fizikai alapjairól, folyamatáról, valamint a lokátorok osztályozásáról és alkalmazásuknak területeiről kap ismereteket az olvasó. Ismertetjük azokat a hullámterjedési és egyéb fizikai törvényszerűségeket, amelyek meghatározzák azt, hogy milyen antennájú, felépítésű és rendeltetésű lokátort lehet alkalmazni egy bizonyos frekvenciatartományban. A második fejezetben bemutatjuk a rádiólokációs céltárgyak mérésének alapjait, vagyis azt, hogy egy lokátor hogyan képes a céltárgyak egyes paramétereit mérni. Megismerheti az olvasó azokat a fizikai alapokat, elveket, amelyek alapján képesek vagyunk valamilyen céltárgy észlelésére egy adott térrészben, illetve paramétereinek folyamatos mérésére. A harmadik fejezetben a lokátorok harcászat-technikai jellemzőit ismertetjük. Részletesen bemutatjuk, hogy hogyan lehet meghatározni a lokátorok hatótávolságait, különböző esetekben és különböző céltárgyak esetén, illetve még egyéb fontos mérési és technikai jellemzőjét a lokátoroknak. A negyedik fejezetben bemutatjuk a lokátorok különböző típusait. Továbbá megismerheti az olvasó a folytonos hullámú és az impulzusüzemű lokátorok rendszertechnikai felépítését és az alkalmazott modulációs módokat, a különböző felbontóképesség növelő eljárásokat. -7-

Tartalomjegyzék

Az ötödik fejezetben bemutatjuk a lokátor állomások felépítését, főbb részeit. Ismertetjük a lokátorok antenna-tápvonal rendszerének, adó- és vevőberendezésének, indikátorának és egyéb rendszereinek a rendeltetését, felépítését, főbb paramétereit. A hetedik fejezetben megismerheti az olvasó a rádiótechnikai felderítés technikai alapjait. Ebben a fejezetben bemutatjuk a lokátorok mint céltárgyak mérésének alapvető módszereit.

-8-

A rádiólokáció

1 A RÁDIÓLOKÁCIÓ A rádiólokáció a tárgyak felderítésére, helyzetadatainak, illetve jellemzőik meghatározására használatos eljárás. Maga a szó rádiólokáció szó a latin radio és a locus szóból tevődik össze, ami sugárzást és helyet jelent. A szakirodalomban még használják RADAR elnevezést is, ez az angol Radio Detection And Ranging szavakból képzet mozaikszó, ami rádióhullámokkal való felderítést és mérést jelent. A lokátor a tárgyak térbeli helyzetének meghatározására alkalmas berendezés, aminek a működése a rádióhullámok terjedési sajátosságain alapul. A rádióhullámok ugyanolyan jellegű hullámok, mint a fényhullámok, így terjedési sebességük is ugyanakkora. A rádióhullámok elektromágneses hullámok, amelyek a tér egy-egy pontjában az elektromos és mágneses terek átalakulásából keletkeznek. Az a távolság, amit az elektromágnese hullám egy rezgés ideje alatt megtesz, a rádióhullám hullámhossza. Jele: λ. Matematikailag: c (1.1.) λ= f ahol λ - a hullámhossz [m], ⎡m⎤ ⎡m⎤ c - a fény terjedési sebessége: 2, 997925⋅108 ⎢ ⎥ ≅ 3⋅108 ⎢ ⎥ , ⎣s⎦ ⎣s⎦ f - a hullám frekvenciája [Hz]. A mágneses és elektromos tér síkjai egymásra merőlegesek, és az 1.1. ábra szerinti alakzatban, mint elektromágneses hullám terjednek. E

Terjedési irány

H 1.1. ábra Az elektromágneses hullám terjedése

-9-

A rádiólokáció fizikai alapjai

1.1 A RÁDIÓLOKÁCIÓ FIZIKAI ALAPJAI A rádiólokáció fizikai alapját az képezi, hogy az ezen eszközök működése során kisugárzott elektromágneses energia: - állandó sebességű, - egyenes vonalban és a nagykörök mentén terjed, - irányítható, - a céltárgyakról képes visszaverődni. A kisugárzott elektromágneses energia állandó terjedési sebessége a légtérben gyakorlatilag megegyezik a fény terjedési sebességével (3⋅108 ⎡m⎤ ⎢⎣ s ⎥⎦ ). Ez képezi a távolság meghatározás alapját. A rádiólokáció céljaira felhasznált frekvenciasávokban az elektromágneses energia egyenes vonalban terjed. A jelenleg ismert, működőképes, illetve a közel jövőben rendszeresítésre tervezett lokátor állomások főleg a 30 MHz-300 GHz frekvenciatartományokban üzemelnek. A jelenlegi lokátorok alapvetően a 400 MHz - 20 GHz közötti frekvenciasávban dolgoznak, rendeltetésüknek megfelelően. A kisugárzott energia irányíthatósága abból következik, hogy a rádiólokáció céljaira olyan antennákat alkalmaznak, amelyek a nagyfrekvenciás energiát egy fő irányba sugározzák. A sugárzás irányítása céljából a lokátorok antennarendszerében a hullámhosszúságra méretezett sugárzót és a hullámhossz többszörösének megfelelő méretű reflektor-tükröt használnak. Például a 3 GHz-es frekvenciatartományban igen gyakran alkalmazott forgás paraboloid szelet antennatükör 7-10 m-es vízszintes mérete 70-100szorosa a kisugárzott elektromágneses energia hullámhosszúságának. Így a kialakuló sugárnyaláb vízszintes szelete (sugárkarakterisztika szélessége) nem haladja meg az l°-ot. Minél magasabb frekvencián, azaz minél kisebb hullámhosszon üzemel egy lokátor állomás, annál kisebb méretű antenna kell hasonló szélességű sugárnyaláb kialakításához, és fordítva az alacsony - méteres - frekvenciasávban üzemelő eszközök esetén már több kilométeres antennák kellenének ezen érték eléréséhez. Az utóbbi időben egyre több olyan lokátor van, amely nem a hagyományos értelemben vett és közismert (parabola, forgás paraboloid, Cassegrain, Yagi) antennákat használ. Ilyenek az úgynevezett fázisvezérelt rácsantennák, amelyek viszonylag kis méret mellett igen jó hatásfokú és rugalmasan változtatható irányító hatással rendelkeznek.

- 10 -

A rádiólokáció

1.2 A RÁDIÓLOKÁCIÓ FOLYAMATA Az adóberendezés által előállított nagyfrekvenciás (modulált, vagy modulálatlan), nagyteljesítményű jelek tápvonal-rendszeren keresztül az (adó) antennára jutnak, mely irányított elektromágneses hullámok formájában sugározza ki azokat. Ha a kisugárzott elektromágneses hullámok terjedésük során valamilyen céltárgyba ütköznek, visszaverődnek annak felületéről (1.2. ábra). A célról visszaverődő - igen kis térerősségű elektromágneses hullámok a vevőantennán és a tápvonal rendszeren keresztül a vevőbe jutnak. A vevő berendezés feladata a jelek erősítése és az adó modulációjának megfelelő demoduláció után az indikátorokon való megjelenítésre alkalmas elektromos jelekké való átalakítsa. Az indikátor a vevőről érkező „céljeleket” összehasonlítja az adó referens jelével, valamint észlelhető, látható formába alakítja át (1.2. ábra)

Adó

Indikátor

Vevő

1.2. ábra A rádiólokáció folyamata

1.3 LOKÁTOROK OSZTÁLYOZÁSA Ez ideig igen sokfajta lokátort fejlesztettek ki, melyek formára, rendeltetésre, és a szolgáltatott információk jellegére nézve sok eltérést mutatnak. A lokátor állomások különféle kritériumok és kategóriák szerint osztályozhatók. Természetesen minden osztályozás önkényes, és nehéz egyértelmű kategóriákat felállítani, melyekbe minden eszköz egyértelmű helyet kap. Ez elsősorban az eszközök sokrétűségéből és bonyolultságából fakad. Külön kell foglalkozni azokkal az igen korszerű többfeladatú eszközökkel, melyek több kategóriába is beleférnek. A lokátorok osztályozása: - rendeltetés szerint, - rádiólokáció módszere szerint, - telepítés módja szerint, - adatszolgáltatás szerint, - hullámtartomány szerint. - 11 -

Lokátorok osztályozása

1.3.1 A lokátorok rendeltetés szerinti felosztása Rendeltetés szerint a lokátor állomások a következő csoportokra oszthatók: - kereső, (felderítő vagy detektáló), - követő (mérő). 1.3.1.1

A keresőlokátor

A keresőlokátor alapfeladata a kijelölt térrész megbízható figyelése. A keresőlokátorokkal szemben elsődleges követelmény a gyors és megbízható adatszolgáltatás az ellenség objektumairól. Céljuk az azonnali ellentevékenységhez szükséges adatok szolgáltatása. Megkülönböztetünk: a) légicél felderítő, b) tüzérségi felderítő, c) horizonton túli felderítő (Over The Horizon: OTH), d) űrobjektum felderítő, e) földi (vízfelszíni) mozgócél felderítő lokátor állomásokat. a) A légicél-felderítő lokátor állomások feladata a légtérben lévő repülőobjektumok felderítése. A légicél-felderítő lokátorok hatótávolsága széles határok között változik a felderítési feladatnak megfelelően. Az igen nagy hatótávolságúak általában kevés és kis pontosságú adatot szolgáltatnak, míg a közepes- és kis hatótávolságúak gyorsan, nagy mennyiségű, nagy pontosságú adatot szolgáltatnak. b) A tüzérségi felderítő lokátorok feladata a tüzelő állások, egyes lövegek, rakétakilövők helyének felderítése, bemérése. Ezt a feladatot többnyire a röppályán lévő lövedék, rakéta felderítésével pályaadatainak mérésével és követésével hajtják végre. Ezek alapján - hátrametszéssel - meghatározható a röppálya kezdő pontja, azaz a kilövő-, vagy indítóállás. Ezek az eszközök igen nagy pontossággal, megbízhatóan és nagyon gyorsan dolgoznak. (P1. a Tacfire rendszer, az AN/TPQ-36, -37 lokátorok). c) A horizonton túli (OTH) felderítő lokátor állomások feladata, hogy a rádióhorizonton (egyenes láthatóság határán) túl biztosítsák az információszerzést, például kontinensek között. Ezek az eszközök alkalmasak a tömeges rakétacsapások észlelésére, a légierő nagyméretű mozgásainak felderítésére. Az ilyen eszközök a méteres hullámtartományban üzemelnek, ahol a jelek képesek az ionoszféráról, majd a föld felszínéről visszaverődni, így nagy távolságokra tudnak eljutni. d) Az űrobjektum felderítő lokátor állomások feladata az interkontinentális ballisztikus rakéták, kozmikus eszközök (különböző rendeltetésű és pályaadatú műholdak) felderítése, koordinátáinak meghatározása, mozgási pá- 12 -

A rádiólokáció

lyájuk követése. Erre a célra igen nagyteljesítményű, általában stabil telepítésű, nagy hatótávolságú eszközöket használnak. Elhelyezésük a fő rakétacsapások irányában történik, illetve úgy, hogy egy adott idő alatt biztosítsa az összes - nem szinkronpályán keringő - űrobjektum felderítését. e) A földi (vízfelszíni) mozgócél-felderítő lokátor állomások feladata adatokat szolgáltatni a harcmező helyzetéről és az abban bekövetkezett változásokról. Ezek az eszközök általában kis-hatótávolságúak, néhány száz métertől néhány tíz kilométerig észlelik a harcmezőn mozgó tárgyakat (a kúszó embertől a harckocsiig, sőt egyes esetekben a kis-, vagy alacsony magasságon repülő eszközöket is). Ezek a lokátorok általában könnyű, hordozható, folyamatos sugárzású eszközök. 1.3.1.2

Követőlokátor

A követő (mérő) lokátorok alapfeladata nem egy térrész figyelése, hanem csak adott céltárgy vagy céltárgyak helyzetadatainak mérése. Attól függően, hogy milyen helyzetadatot vagy adatokat mérünk. Megkülönböztetünk szögkövetést, távolságkövetést, sebességkövetést és magasságmérést. A szög, távolság- és sebességkövetést általában egy lokátorral egyszerre meg lehet valósítani, de a magasságmérésre többnyire külön magasságmérő lokátort alkalmaznak. A magasságmérő lokátorok feladata, hogy a két koordinátát meghatározó (R és β) eszközöket kiegészítse a harmadik koordináta (emelkedési szög vagy magasság) adatokkal. Ezek a lokátorok az antenna függőleges lengetésével („bólogatásával”), az iránykarakterisztikát úgy változtatják, hogy meghatározható a céltárgy magassága. A magasságmérő lokátorokat önállóan általában nem alkalmazzák, csak egy másik eszköz kiegészítéseként, például a felderítő lokátorokkal együtt. Ezek a lokátorok speciális antenna karakterisztikájuk - vízszintesen elnyúlt alakú- következtében igen jó hatásfokkal alkalmazhatók a kismagasságú, illetve a földközelben tevékenykedő légi célok felderítésére. 1.3.2 A lokátor állomások felosztása az elrendezés módja szerint Telepítési módjuk szerint a lokátor állomások a következő csoportokra oszthatók: - monosztatikus, - bisztatikus, - multisztatikus. A monosztatikus elrendezés estén az adó és a vevő antenna ugyan az, de monosztatikus elrendezésnek hívjuk azt is, amikor ugyanazon a helyen egy lokátor állomás külön adó és külön vevőrendszerrel rendelkezik, - ez általá-

- 13 -


ban a folyamatos sugárzású CW és FM lokátorokra jellemző - és az eszközök egymástól való távolsága nem mérhető össze a céltárgy távolságával. A bisztatikus elrendezés esetén az adó- és vevőberendezések különböző helyeken helyezkednek el, egymástól való távolságuk általában összemérhető a céltárgy távolságával. A multisztatikus elrendezés esetében kettőnél több települési helyen találhatók a berendezések. A multisztatikus elv elképzelhető több bisztatikus, vagy több monosztatikus lokátor együttes, egy rendszerben történő alkalmazása esetében. A multisztatikus elv alapján kialakított rendszer képessége nagyobb, mint az egyes lokátorok külön-külön. A leginkább elterjedt multisztatikus elven működő rendszerben (lokátor állomás) egy adóberendezés és tőle a céltárgy távolságával összemérhető távolságon lévő több vevőberendezés található. Bisztatikus és monosztatikus elv alkalmazására például az OTH lokátorok esetében kerül sor, vagy azon amerikai elgondolás részeként, mely szerint az ellenséges légvédelmi eszközök hatótávolságán kívül, nagy magasságban tevékenykedő repülőgép (űreszköz) fedélzetén lévő adóberendezés besugározza az ellenség területén lévő céltárgyakat és a frontvonalhoz közel elhelyezett, igen pontos és érzékeny vevőberendezések pedig részletes felderítési adatokkal szolgálnak a szemben álló félről. 1.3.3 A rádiólokáció módszere szerint felosztás A rádiólokáció módszere szerint a lokátor állomások a következő csoportokra oszthatók: - aktív, - félaktív, - aktív válaszú, - passzív, 1.3.3.1

Az aktív rádiólokáció

Az aktív rádiólokáció alatt a „hagyományos” felépítésű lokátor állomásokat kell érteni. Az aktív rádiólokáció a cél rádióhullámokkal történő besugárzásával és a célról visszavert energia vételével valósul meg. A lokátor az adóból, a vevőből és az indikátorból áll, mint az a 1.3. ábrán látható. Az adó nagyfrekvenciás elektromágneses energiát állít elő, amit az antenna irányítva (keskeny sugárkarakterisztikával) kisugároz a térbe. Az elektromágneses hullám útjába eső céltárgyról az energia egy része visszaverődik a lokátor vevőantennájába, és abban feszültséget gerjeszt, amit a vevő értékelhető jellé alakít át.

- 14 -

A rádiólokáció

céltárgy

fa

Adó

fv

Vevő

Indikátor

1.3. ábra Az aktív rádiólokáció

A visszavert energia sűrűsége függ a célra jutó energia sűrűségétől, a cél elektromos tulajdonságaitól és alakjától, valamint a hullámhosszhoz viszonyított a nagyságától. A rádióhullámok visszaverődési tényezője (Γ) fém felületek esetén gyakorlatilag egynek vehető, dielektromos felületeknél pedig (Γ<1) és értéke a dielektromos állandótól (ε) függ, ε és Γ egyenes arányban áll egymással. 1.3.3.2

A félaktív rádiólokáció

A félaktív rádiólokáció a különböző objektumok egy meghatározott helyről történő besugárzásán és a visszavert jelek más helyeken, más típusú rendszeren történő vételén (vagy észlelésén) alapuló eljárás. Ezt alkalmazzák a különböző rakéták rávezető rendszereiben. A légicélt (repülő eszközt) a föld felszínén elhelyezkedő lokátor állomás sugározza be („megvilágítja”) és a felületéről visszaverődött jeleket a rakéta (földön, vagy már röppályán lévő) fejében lévő vevőberendezés veszi. fa

Adó

fv

Vevő

céltárgy

1.4. ábra A félaktív rádiólokáció

1.3.3.3

Az aktív válaszú rádiólokáció

Az aktív válaszú rádiólokáció célja a lokátorok hatótávolságának növelése. A kisugárzás helyén nem a visszavert jeleket kell venni, hanem annál sokkal erősebbet, amelyet az adott „céltárgy” sugároz a fedélzetén lévő válaszadó berendezéssel. A lokátor sugárnyalábjának hatására a fedélzeti eszköz automatikusan működésbe helyezi adóberendezését és (általában kódolt) válaszjelet (jeleket) sugároz vissza, amelyek vétele a lokátorral történik. - 15 -


Az aktív válaszú rádiólokációt két fő területen alkalmazzák: - lokátorok hatótávolságának fokozására (ez csak saját, speciális eszközzel felszerelt eszközökre vonatkozhat), - az azonosító (Identification Friend or Foe : IFF) és másodlagos (Secondary Surveillance Radar : SSR) lokátorok esetén. lokátor

Vevő

Adó

Adó

Vevő

Indikátor

céltárgy

1.5. ábra Az aktív-válaszos rádiólokáció

1.3.3.4

A passzív rádiólokáció

A passzív rádiólokáció a különböző objektumok (céltárgyak) által kisugárzott elektromágneses energia (rádióhullámok) vételén alapul. Általában a sugárzó objektumok helyének meghatározására szolgál. A kisugárzott jelek vétele biztosítja az adott aktív eszköz felderítését és megfelelő módszer alkalmazásával helyének behatárolását. Ezt alkalmazza az amerikai gyártmányú NATO rádiólokációs felderítő repülőgép az AWACS, mely külön passzív üzemmóddal rendelkezik a zavaró eszközök felderítésére és behatárolására. Indikátor

Vevő 1.6. ábra A passzív rádiólokáció

1.3.4 Adatszolgáltatás szerinti felosztás: Az adatszolgáltatás jellege szerint a lokátorok a következők szerint osztályozhatók: - jelző, - kétdimenziós (2D), - háromdimenziós (3D),

- 16 -

A rádiólokáció

1.3.4.1

A jelző lokátorok

A jelző lokátorok, csak korlátozott feladatokat képesek ellátni, csak észlelik a felderítési szektorukban lévő céltárgyat. Ezen eszközök arra szolgálnak, hogy nagy területen folytassanak felderítést és riasszák a pontosabb, de kisebb területet ellenőrző két- és többdimenziós lokátorokat. 1.3.4.2

A két- és háromdimenziós lokátor

Azokat a lokátorok, amelyek a különböző céltárgyak ferde távolságát (R) és északhoz viszonyított oldalszögét (β), illetve emelkedési szögét (ϑ) képesek, különböző pontossággal és gyakorisággal meghatározni, kétdimenziós lokátornak, amelyek mindezek mellett még a céltárgy magasságát is (H) megadják, azokat háromdimenziós lokátoroknak nevezzük. 1.3.5 Hullámtartomány szerinti felosztás: Lényegében nincs alapvető korlátozás a lokátor-frekvenciákra nézve, mert bármely berendezést, ami a céltárgyakat elektromágneses hullámokkal sugározza be, és a visszavert jelek értékelésével ismeri fel azokat, valamint ennek alapján határozza meg helyzetüket lokátornak nevezzük, függetlenül attól, milyen frekvencián működik. Működnek lokátorok a 100 méteres hullámhossztól egészen a 10-7 méteres (ultraibolya) tartományig. Az alapelvek minden frekvenciára ugyanazok, de a technikai kivitelezés lényegesen eltérő lehet. Gyakorlatban a legtöbb lokátor a mikrohullámú tartományban működik, de jelentős kivételek is vannak. Hullámtartomány szerint a lokátorok: - méteres hullámtartományú, - deciméteres hullámtartományú, - centiméteres hullámtartományú és - milliméteres hullámtartományú eszközökre oszthatók. Az elektromágneses hullámok nemzetközi felosztásnak megfelelő osztályozása szerint: Megnevezés Hullámhossz Frekvencia méteres (VHF) sáv 1 - 10 m 300 - 30 MHz deciméteres (UHF), sáv 0,1 – 1 m 300 -3000 MHz, centiméteres (SHF), sáv 1 - 10 cm, 3 - 30 GHz, milliméteres (EHF), sáv 10 - 1 mm 30 - 300 GHz 1.1. táblázat Elektromágneses hullámok nemzetközi felosztása

Az 1972. január 1-jén életbe léptetett jelölés szerint a frekvenciasávok a következők: - 17 -

Lokátorok osztályozása Jelölés Frekvenciasáv A sáv 0 - 250 MHz B sáv 250 - 500 MHz C sáv 500 - 1000 MHz D sáv 1 - 2 GHz E sáv 2 - 3 GHz F sáv 3 - 4 GHz G sáv 4 - 6 GHz I sáv 6 - 8 GHz J sáv 8 - 10 GHz K sáv 10 - 20 GHz L sáv 20 - 40 GHz M sáv 60 - 100 GHz N sáv 100 - 200 GHz O sáv 200 - 300 GHz 1.2. táblázat Nemzetközi frekvenciasávok

A Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) ajánlásának és előírásának ellenére még igen gyakran használják a korábbi frekvenciasáv jelöléseket. Főleg az amerikai lokátorok esetében. A korábbi amerikai szabványoknak megfelelő frekvencia felosztás: Jelölés P sáv L sáv

Frekvenciasáv 300 - 1000 MHz 1 - 2 GHz

S sáv

2 - 4 GHz

C sáv X sáv

4 - 8 GHz 8 - 12,5 GHz

Ku sáv

12,5 - 18 GHz

K sáv Ka sáv

18 - 26,5 GHz 26,5 - 40 GHz

Rádiólokáció frekvenciasávja 420 - 450 MHz 890 - 940 MHz 1215 - 1400 MHz 2300 - 2550 MHz 2700 - 3700 MHz 5255 - 5925 MHz 8,5 - 10,7 GHz 13,4 - 14,4 GHz 15,7 - 17,7 GHz 23 - 24,25 GHz 33,4 - 36 GHz

1.3. táblázat Korábbi frekvenciasávok

A felderítő lokátorok általában az ultrarövid hullámtartományban üzemelnek. Ez a tartomány azért a legalkalmasabb erre a célra, mert az ultrarövid hullámok kis veszteséggel verődnek vissza a viszonylag kisméretű céltárgyakról. Ebben a tartományban viszonylag kisebb méretű antennákat lehet alkalmazni, ami lehetővé teszi a méretek csökkentését, ezzel pedig a lokátor manőverezési lehetőségei is megnőnek. A különböző hatótávolságú ballisztikus rakétarendszerek megjelenése szükségessé tette a horizonton túli (OTH) lokátorok kifejlesztését. Ezek az állomások a 2-60 MHz tartományban működnek, mert ezek a frekvenciák visszaverődnek az ionoszféráról, ami nagy hatótávolság elérését teszi lehető- 18 -

A rádiólokáció

vé. Egyszeri visszaverődéssel maximum 4800 km, kétszeres visszaverődéssel maximum 7400 km távolságra lehet felderítést folytatni. Többszöri visszaverődés alkalmazása esetén a veszteségek annyira megnövekednek, hogy ilyenkor hatalmas adóteljesítményeket kell alkalmazni. Az, hogy egy lokátor milyen frekvenciát használ nagyban befolyásolja azt, hogy milyenek lesznek a technikai jellemzői. Ezért vizsgáljuk meg, hogy a rádiólokációban használatos frekvenciatartományoknak mik a jellemzőik, és ott milyen típusú lokátort alkalmaznak. 1.3.6 Rádiólokációban használatos frekvenciatartományok

1.3.6.1

A 3 MHz alatti sáv

A hosszú- és középhullámok felületi hullámmal képesek terjedni, ami azt jelenti, hogy az elektromágneses hullám követi a föld görbületét, így horizonton túli felderítésre nyílik lehetőség. Ezeken a hullámhosszokon jól irányított antennát csak igen nagy méretben tudunk elkészíteni, emellett ebben a sávban jelentősek a különböző forrásból származó környezeti zajok is (1.7. ábra), ezért rádiólokációs célra csak nagyon ritkán használják fel. 1.3.6.2

A 3 - 30 MHz-es (HF) sáv

Az első működő lokátor rendszer ebben a sávban a 22-28 MHz között üzemeltek, közvetlenül a II. világháború előtt Angliában. Ebben a sávban is képesek még a hullámok a felületi hullámokkal való terjedésre, jellemzően a sáv alján. A hatótávolság néhány száz km-t is elérhet. A felületi hullámok mellett az ionoszféráról visszaverődő térhullámok is képződnek, amivel a hatótávolság jelentősen megnövelhető, így lehetőség nyílik a horizonton túl felderítésre. Erre a sávra is igaz, hogy viszonylag nagyméretű antennákat kell alkalmazni, a külső zajok is igen jelentősek (1.7. ábra), valamint jelentős a telítettsége, azaz sok egyéb elektromágneses kisugárzó eszköz (pl. rádió műsorszoró) működik ebben a sávban. 1.3.6.3

A 30 - 300 MHz-es (VHF) sáv

A II. világháborúban és közvetlenül utána ebben a sávban működtek a lokátorok, de napjainkra ez a sáv annyira telített lett, hogy a korszerű lokátorok már nem ezeken a frekvenciákon üzemelnek. Ugyanakkor ebben a frekvenciasávban működnek a nagy kisugárzási teljesítményű, nagy antenna méretű és nagy hatótávolságú felderítő lokátorrendszerek. Ilyen lokátorokkal végzik a mesterséges égitestek követését és mérését.

- 19 -


Ebben a sávban a külső zajok már lényegesen kisebbek, az itt működő lokátorokat nem zavarják az atmoszférikus zavarok (felhőkről, csapadékról visszavert jelek), illetve nem szenvednek lényeges csillapítást az atmoszférában. 1.3.6.4

A 300 - 1000 MHz-es (UHF) sáv

Ebben a sávban a külső zaj gyengébb, mint a VHF sávban. A frekvencia növekedésével az antenna méretei csökkennek, így könnyebb jobban irányított antennákat készíteni. Ebben a sávban működnek a nagytávolságú, nagy megbízhatóságú, az időjárási viszonyoktól nem függő felderítő lokátorok. Itt alkalmazhatóak a mozgó cél kiválasztó (MTI) rendszerek. A sáv felhasználhatóságát az korlátozza, hogy itt üzemelnek a televízióadók. 1.3.6.5

Az 1 - 2 GHz -es (D) sáv

Széles körben felhasználásra került a felderítő lokátorokban. A lokátorokat a szög szerinti jó felbontóképesség és az alacsony külső zajszint jellemzi. 1.3.6.6

A 2 - 4 GHz-es (E,F) sáv

Az ettől a frekvencia tartománytól alacsonyabb frekvenciákon működő lokátorok felderítő, az ennél magasabb frekvenciákon működők követő lokátorok. Ebben a frekvenciasávban a reális méretű antennák már jó szög szerinti felbontó képességet biztosítanak, ugyanakkor a külső zaj szintje igen alacsony. Itt üzemelnek a közepes hatótávolságú repülőgép felderítő és követő lokátorok (ugyanazt a lokátort alkalmazzák mind a két feladatra). 1.3.6.7

A 4 - 8 GHz-es (G,H) sáv

Ezeken a frekvenciákon működnek a pontos információt nyújtó, közepes hatótávolságú felderítő lokátorok (pl. hajó navigációs lokátorok), valamint a nagy hatótávolságú és nagy koordinátamérési pontosságú lokátorok (pl. rakéta rávezető lokátorok). 1.3.6.8

A 8 – 10 GHz-es (I) sáv

Ebben a sávban nagy számban működnek a kis- és közepes hatótávolságú rávezető és tűzvezető, valamint a polgári lokátorok. Ezeken a frekvenciákon a lokátorok méretei akár annyira is lecsökkenthetők, hogy azok kézben

- 20 -

A rádiólokáció

tarthatóak legyenek, illetve könnyen előállítható olyan geometriai méretű antenna, aminek a sugárnyalábja csak 1°, 2 m-es antennaátmérő mellett. 1.3.6.9

A 10-20 GHz-es (J) sáv

A II. világháborúban készítettek először a sávban működő lokátort, ennek a frekvenciája 24 GHz volt. Ez a frekvencia nagyon közel van a víz rezonancia frekvenciájához (22,2 GHz), amin igen nagy a csillapítás. Ebben a frekvenciatartományban működnek a gyakorlatban széles körben használt legmagasabb frekvenciájú lokátorok. A sávban működő lokátorok között a kölcsönös zavaró hatás kicsi, de a szög- és a távolság szerinti felbontóképesség nagy. Kis méretű lokátorokat tudunk készíteni, de az atmoszféra nagy csillapítása miatt csak kisebb hatótávolságot tudunk velük elérni. Ezeken a frekvenciákon az esőnek már komoly csillapító hatása van. 1.3.6.10 A 20 GHz feletti sávok Ezeken a frekvenciákon lehetőség van széles spektrumú jelek előállítására, valamint kis antenna méretek mellett keskeny sugárnyaláb kialakítására. A probléma az, hogy elfogadható teljesítményszint előállítása nagyon nehéz. A vevő zaja igen magas, a külső zajszint, a rádióhullámok csillapítása az atmoszférában annál erősebb, minél magasabb a használt frekvencia. Mindezek miatt ezekkel a lokátorokkal csak kis hatótávolságot lehet elérni. A keskeny sugárnyaláb és a széles sávú jel alkalmazása akkor lehet előnyös, ha a cél típusát akarjuk megállapítani. 1.3.6.11 Optikai sáv Az optikai sávban lézerek segítségével lehet elfogadható teljesítményű koherens sugárzást megfelelő hatásfokkal és keskeny sugárnyalábbal előállítani. A lézerek az infravöröstől az ultraibolya tartományig működnek. A lézerek által kisugárzott keskeny nyalábbal már a céltárgy geometriai méreteit és az alakját is meghatározhatjuk. Hátrányok, hogy az ilyen keskeny nyalábbal letapogatni nem lehet a légteret, valamint az eső, a felhők és a köd nagyon csillapíthatják, ezzel rontva a működés hatékonyságát. 1.3.7 Hullámterjedési sajátosságok, zajok, zavarok Légköri csillapítás. A lokátorokhoz használandó frekvenciasávokat úgy választották ki, hogy egyrészt a légkör hatása lehetőleg minimális legyen, másrészt megvalósítható legyen a megfelelő sávszélesség, antennanyereség és szögfelbontó képesség. A csillapítás fő forrásai: levegő és vízpára, eső és hó, felhő és köd, továbbá (néhány frekvencián) az ionoszféra elektronjai.

- 21 -


1.3.7.1

Zajok

A lokátor rendszerekben a zajokat az alapzajok (a moduláló jeltől független zajok) és az interferencia zajok képezik. A moduláló jeltől független zajokat két csoportba oszthatjuk: - rádiócsatornán belüli forrásokból származó alapzajok, - külső alapzajok (háttér-zaj). A belső alapzajok összetevői a rádió berendezésekben keletkező termikus és kvantumzajok. A főbb rendszerparaméterek értékeit - a hullámterjedést befolyásoló tényezőkön kívül - alapvetően a vevőberendezés kimenetén megvalósítható vivő-zaj viszony határozza meg. A vevő zajtényezőjét meghatározó összetevők: - antennazaj, - az előfokozatok zaja, - keverőfokozat zaja (keverési veszteség, helyi oszcillátor zaja), - a KF fokozatok zaja. A vevőantenna és a vevő keverőfokozatára kerülő zaj szintjét befolyásoló paraméterek megválasztása nagyon lényeges. Ezért nagy irányhatású (nagy nyereségű) és kis zajú antennával, valamint kis zajtényezőjű, szélessávú előerősítőkkel a zajszint lecsökkenthető. TA

[°K]

1014

Maximum

1010 106

Minimum

Napi maximum Napi minimum

102 0,1

0,5

1

5

10

50

100

[MHz]

1.7. ábra Antenna-zajhőmérséklete (TA) a frekvencia függvényében

A 1.7. ábrán látható külső alapzajokat a galaktikus zaj, a kozmikus zaj, a napzaj, az égboltzaj, a földzaj és az ember által keltett mesterséges zajok okozzák. A galaktikus zaj, a rádiócsillagoknak nevezett diszkrét zajforrásoktól származik. Ez a zajösszetevő 1 GHz felett gyakorlatilag elhanyagolható. A kozmikus zaj frekvenciasávja 20-4000 MHz. Intenzitása a galaktikus központ irányában maximális, a galaktikus pólusok felé csökken. A napzaj frekvenciasávja 30-3000 MHz. Intenzitása a naptevékenységgel változik. A napzaj szintje az antenna főnyaláb szélességének függvénye, de függ a melléknyaláb-csillapítás értékétől is.

- 22 -

A rádiólokáció

Az égboltzaj frekvenciasávja 200-2000 MHz, s az atmoszférikus csillapítást okozó jelenségekből, valamint az atmoszféra és más külső zajforrások kölcsönhatásából származik. Az atmoszférikus zaj frekvenciasávja 1-100 MHz, de intenzitása ennél magasabb frekvenciatartományokban is jelentős lehet. A légköri csillapítás, tiszta légkör esetén, általában nem okoz problémát 16 GHz alatt Szintje az atmoszféra páratartalmával erősen változik. Előidézője a mikrohullámú energia oxigén (közel 60 GHz) és vízgőz (22 GHz) által való elnyelése és újra kisugárzása (1.8. ábra). A földzaj frekvenciasávja 20-10000 MHz. A különböző intenzitású mesterséges zajok hatását az állomás helyének jó kiválasztásával lehet csökkenteni. Maximum

TA [K°]

kozmikus zaj

100

0°

ϑ=0°

5° 10° 30°

Minimum

90°

10

ϑ=emelkedési szög 1 0,1 0,1

0,5

5

1

10

50

100

[GHz]

1.8. ábra Mikrohullámú antenna-zajhőmérséklete (TA) a frekvencia függvényében

1.3.7.2

A légkör csillapító hatása

A 1.8. ábrán látható, hogy az 1 GHz alatti frekvenciákig a légkör - kivéve az ionoszférát - teljesen átlátszónak tekinthető. 1 GHz feletti frekvenciák esetén azonban a légkör nem mindig átlátszó. Emiatt egyrészt elnyelés útján (gázok és gőzök abszorpciója), másrészt a vízcseppek elnyelő és szétszóró hatása útján okoz veszteségeket. Az energia mindkét esetben a távolsággal exponenciálisan csökken. (Meg kell azonban jegyeznünk, hogy bármilyen élesen irányítjuk is a hullámokat, energiájuk csökkenése - a távolsággal arányosan - e két hatás nélkül is bekövetkezik). A levegő 78,1 térfogatszázalék nitrogénből, 20,9 % oxigénből, 1 % egyéb gázokból áll, és a földrajzi helytől függően, maximum 4 % vízgőzt tartalmaz. A közvetlen elnyelést a vízmolekulák elektromos dipólus nyomatékának hatása okozza. A nitrogénmolekulák - minthogy nincs jelentősebb elektromos és mágneses nyomatékuk, nem befolyásolják a hullámok terjedését, és nem okoznak csillapítást. - 23 -


A vízgőzmolekulák elektromos dipólusokat alkotnak, melyekben az elektromágneses hullámok rezgéseket gerjesztenek. A rezgések amplitúdója a frekvenciától függ, és a f = 22 GHz körüli frekvencián rezonancia következik be. A rezonancián különösen intenzív elektromos rezgések keletkeznek, ezért az elektromágneses hullámok energiájának elnyelése (abszorpciója) ugrásszerűen megnő. Az elnyelt energia nagysága arányos a levegő vízgőztartalmával. 100 50 30 20 csillapítás [dB]

1°

H2O abszorpciós rezonancia 22,2 GHz

10

ϑ=0° ϑ=1° ϑ=2° ϑ=5°

5

ϑ=10°

3 2

ϑ=30°

2° 5° 10°

30° 90°

1 0,5 0,3 0,2

ϑ=90°

0,1 0,1

1

10

O2 rezonanciák ∼ 60 GHz f [GHz] 100

1.9. ábra A légkör csillapítása a frekvencia függvényében oda-vissza út esetén

Még nagyobb csillapítást okoz a levegő oxigénjének rezonanciája. Ez a rezonancia a f = 75 GHz, f = 120 GHz és f = 176 GHz frekvenciákon következik be. Ezeken a frekvenciákon az abszorpciót az idézi elő, hogy az oxigénmolekulák mágneses dipólusként viselkednek, és kölcsönhatásba kerülnek a hullámok mágneses terével. A magasság növekedésével csökken a gázok sűrűsége, és ezzel az abszorpció is. Az oxigén és a vízgőz abszorbeáló hatását különböző frekvenciákra, dB-ben a 1.9. ábra mutatja. Az ábrán látható rezonanciahelyekhez tartozó hullámhosszat rádiólokációs célokra - a nagy veszteség miatt - nem célszerű alkalmazni. Gyakorlatban a 10 GHz feletti frekvenciatartományoknak csak olyan sávjait használjuk fel, melyekben minimális a csillapítás. Ebből a szempontból elsősorban a 33..38 GHz-es, másodsorban a 75..100 GHz-es hullámok jöhetnek számításba. A vízcseppek kétféle módon csillapítják a hullámokat, elnyeléssel és szórással. Az elnyelés oka, hogy a víznek, mint nem ideális dielektrikumnak, nagy a vezetőképessége. Az elektromágneses hullámok vezetési vonalakat

- 24 -

A rádiólokáció

hoznak létre a vízben, és ezáltal elvesztik energiájuk egy részét. A veszteség nagysága együtt nő a frekvenciával. Igen kis méretű cseppek esetén, mint felhőben és ködben, egyedül ez a hatás érvényesül, és adott hullámhossz mellett egyenesen arányos a légkörben lévő folyékony víztartalommal (g/m3). A nagyobb cseppek hatása bonyolultabb. A csillapítás nemcsak a m3enkénti vízmennyiségtől függ, hanem a vízcseppek átmérőjétől is. Nagyobb cseppek esetén az energia szétszóródása is bekövetkezik, ami a hullámhossz és az átmérő viszonyától függ. A szóródás jelensége olyan formában csökkenti a hullám energiáját, hogy a céltárgy felé irányított sugárnyaláb energiájának egy részét útjából eltéríti, azt a tér minden irányába szétszórja, és ezzel a sugárnyaláb összenergiáját csökkenti, tehát veszteségnek számítható. 10

csillapítás [dB/km]

5

c d

1 0,5

b

a

g

0,1 0,05

e

f

0,01 0,5

1

5

10

hullámhossz λ [cm]

1.10. ábra Az eső csillapítása a hullámhossz függvényében

A 1.10. ábrán látható karakterisztika görbékhez tartozó eső típusok: a) permetező eső (1 mm/h), b) kis eső (4 mm/h), c) eső (15 mm/h), d) nagy eső (100 mm/h) szaggatott vonalak a köd és a felhő által okozott csillapítás, e) láthatóság 600 m-ig (0,032 g/m3), f) láthatóság 120 m-ig (0,32 g/m3), g) láthatóság 30 m-ig (2,3 g/m3). A meteorológiai adatokból vett óránkénti csapadék mennyiségét, cseppméretet és méreteloszlást figyelembe vevő számításokat végeztek a kmenkénti csillapítás megállapítására. A 1.10. ábra a számított és mért csillapítási eredményeket mutatja 1 km távolságra, különböző körülmények között. Az eső 2 GHz felett jelentős csillapítást okoz. Nagyon kicsi vízcseppeknél, melyek felhőben vagy ködben lebegnek, szintén jelentős csillapítás jöhet létre, mivel az áthaladási útvonal felhőkben megtett szakasza több tíz

- 25 -

A lokátorok alkalmazási területei

vagy száz kilométert is kitehet. Az átvitelt 2 GHz alatt a sűrű felhők és a köd jobban zavarja, mint a felhőszakadás. Az antennaelemeken és a burkolaton képződő vízfilmek szintén komoly csillapítást okozhatnak. Az ilyen felületeket azonban olyan speciális kezeléssel lehet ellátni, amely megakadályozza az összefüggő filmréteg kialakulását.

1.4 A LOKÁTOROK ALKALMAZÁSI TERÜLETEI A lokátorokat számos területen alkalmazzák különböző feladatok megoldására. Az összes alkalmazási területet ezért nincs szándékunkban felsorolni, csak néhány fontosabbat említünk meg a következőkben. A lokátorok alkalmazási területei: - azonosítás, - repülésbiztonság, - navigáció, - meteorológia, - fegyverirányítás, - egyéb. 1.4.1 A lokátor alkalmazása azonosításra Az azonosító (barát-ellenség felismerő) lokátorok azon rádiótechnikai eszközök, melyek biztosítják a repülőgépek és hajók hovatartozásának megállapítását. Az azonosító (identifikáló) lokátorok a kétoldalú (aktív válaszú) rádiólokációt alkalmazzák, vagyis a lokátor kérdező impulzust, impulzussorozatot (szériát) sugároz az ismeretlen rádiólokációs objektum irányába. A felfedett objektum veszi ezt a jelet, feldolgozza és megfelelő rendszer szerint saját válasz-jeladójával azonosító választ sugároz. A kérdező jelre kapott válasz alapján megállapítja, hogy az objektum „barát” (ha tud válaszolni a kérdező impulzusra), vagy „ellenség” (ha nem válaszol.). Így azonosítja, hogy melyik katonai szövetséghez tartozik. Az azonosító lokátorok üzemi frekvenciája, sugárzási módjai, válaszjeladójuk jele a legszigorúbb államtitkot képezik, így biztosítva van a saját objektumaink védelme és az ellenséges objektumok felderítése. Az azonosító lokátorok, mindig valamilyen más lokátorral együtt üzemelnek.

- 26 -

A rádiólokáció

1.4.2 A lokátor repülésbiztonsági alkalmazása A repülésbiztonsági lokátorok feladata a repülőgépek és más repülőobjektumok közlekedésének biztosítása a repülőtereken és a repülőterek közvetlen közelében. Fajtái: a repülőtéri fel- és leszállást biztosító lokátorok és a bevezető (irányadó) lokátorok. 1.4.3 A lokátor navigációs alkalmazása Navigációs lokátorok alatt azon lokátorokat értjük, amelyek biztosítják a különböző járművek (légi, földi, vízfelszíni, víz alatti) pillanatnyi helyzetének meghatározását és rendeltetésszerű útvonalának betartását. A navigációs lokátor az adott légijármű fedélzetén helyezkedik el, adóberendezése impulzusokat bocsát ki, melyek visszaverődnek terep- vagy egyéb tárgyakról, a fedélzeten lévő vevőberendezés és segédberendezései segítségével meghatározza a jármű térbeli koordinátáit. A terep feltérképezésével meghatározzák a már megtett utat, a szükséges helyesbítéseket és a követendő útvonalat. 1.4.4 A lokátor meteorológiai alkalmazása A meteorológiai lokátorok biztosítják az adott tér meteorológiai felmérését és meteorológiai előrejelzést, a légi járatok viharkerülését, illetve elvégzik a felhőviszonyok felderítését. 1.4.5 A lokátor alkalmazása a fegyverirányításban A lokátorok egyik legnépesebb csoportja - a felderítő eszközök mellett - a fegyverirányító lokátorok. Erre a célra általában egy, vagy egy rendszeren belül több lokátort alkalmaznak, az általuk kiszolgált fegyverrendszer leghatékonyabb alkalmazása érdekében. Két csoportra oszthatók: - célkövető és - tűzvezető lokátorok. 1.4.5.1

A célkövető lokátor

A célkövető lokátorok olyan speciálisan kiképzett eszközök, melyek a felderítő lokátorok által elsődlegesen meghatározott paraméterek alapján átveszik a célokat, és folyamatosan követik mozgását. Ilyen célkövető lokátorokat találunk az interkontinentális rakéták elhárító rendszereiben, a repülő- 27 -

A lokátorok alkalmazási területei

gép fedélzeti és tűzvezető rendszerekben, stb. Jellemzőjük a nagy információ pontosság, a viszonylag magas információ átbocsátóképesség és a megbízhatóság. Általában más lokátorokkal együttesen alkalmazzák (főleg felderítő és tűzvezető lokátorokkal). 1.4.5.2

A tűzvezető lokátor

A tűzvezető lokátorok főbb csoportjai a következők: - rakéta (rávezető), - repülőgép (irányító, rávezető), - bombavető, - tüzérségi tűzvezető lokátorok. Tűzvezető (bombavető), rávezető (irányító) lokátorok biztosítják az általuk kiszolgált fegyverfajta irányzását és/vagy röppályán történő irányítását. A rávezető (irányító) lokátorok feladata egy adott komplexum vagy fegyverrendszer „helyzetbe hozása”, például a védővadász repülőgép célra irányítása. Így az elfogó vadász olyan helyzetbe kerül, hogy végre tudja hajtani tűzfeladatát. 1.4.6 A lokátorok alkalmazásának egyéb területei -

a földfelszín mint céltárgy felderítése, távmérés (távolság-meghatározás), rakéta robbantó, rádiólokációs távrobbantó, csillagászati és geodéziai, stb.

- 28 -

Rádiólokációs céltárgyak mérésének alapjai

2 RÁDIÓLOKÁCIÓS CÉLTÁRGYAK MÉRÉSÉNEK ALAPJAI A rádiólokációnak a visszavert elektromos energia alapján biztosítania kell a különböző céltárgyak/objektumok észlelését, sík- vagy térbeli helyének és mozgásának meghatározását. Ezek az adatok röviden a célkoordináták. A célkoordináták lehetnek hely- és mozgáskoordináták. A célkoordináták a sík- vagy térbeli helyzetét, a mozgáskoordináták a haladási irányát és sebességét adják meg a céltárgynak. A célkoordináták meghatározásánál a feladat kettős. Az első feladat végrehajtását biztosítja a céltárgyról visszaverődő elektromágneses energia vétele és a vétel tényének kijelzése. A második feladat végrehajtása már bonyolultabb, mivel meg kell határozni a céltárgy távolságát az adott lokátortól, és mérni kell az északi irányhoz viszonyított oldalszögét, a légtérben lévő objektumok esetén a magasságát is. A feladat jobb megértése érdekében vizsgáljuk meg a 2.1. ábrán a mérendő adatokat. v vr H

ϑ É

β 2.1. ábra Mérendő adatok

A mérendő adatok a 2.1. jelölése szerint: R - a céltárgy ferde távolsága D - a céltárgy földfelszíni (valós) távolsága β - a céltárgy oldalszöge az É-hoz viszonyítva ϑ - a céltárgy emelkedési szöge, vagy célhelyszöge a vízszinteshez viszonyítva, H - a céltárgy földhöz viszonyított magassága.

- 29 -

Távolságmérés

A továbbiakban vizsgáljuk meg célkoordináták mérésének elveit és módszereit.

2.1 TÁVOLSÁGMÉRÉS A távolság mérésnél azt használjuk fel, hogy az elektromágneses hullám terjedési sebessége állandó a levegőben. Ha a terjedési közeg homogén, lineáris és izotróp, akkor az elektromágneses hullám terjedési sebessége: 1 v= (2.1)

εμ

ahol ε - a közeg permittivitása (dielektromos állandója), μ - a közeg permeabilitása. Mint tudjuk: ε = εr ⋅ ε0, μ = μr ⋅ μ0 F 1 H ahol ε 0 = π ⋅10 −9 a vákuum permittivitása, μ 0 =4π ⋅10 −7 m m 36 permeabilitása. A 2.2 összefüggést 2.1-be behelyettesítve a sebesség: 1 1 1 1 v= = ⋅ = c⋅

μ 0 μ r ε 0ε r

(2.2) a vákuum

(2.3)

μ 0ε 0 μ r ε r μrε r A szabad térre jellemző, hogy εr ≅ 1 és μr≅ , így az elektromágneses

hullám sebessége jó közelítéssel a fénysebességgel egyenlő (v ≅ c). A rádióhullám terjedési ideje és terjedési távolsága egyenes arányban áll, azaz a lokátor és a cél közötti távolságot a R = c ⋅ tk szorzat adja meg. Mivel az elektromágneses hullám a célról visszaverődik és így jut el a vevőbe, a cél és a lokátor közötti távolságot kétszer kell bejárnia a jelnek. A céltárgy ferde távolsága ebből: c⋅t (2.4) R= k 2 ahol: R - a céltárgy ferde távolsága [m], m⎤ ⎡ c - a fény terjedési sebessége ⎢3 ⋅ 10 8 ⎥ , s⎦ ⎣ tk - a kisugárzás és a vétel között eltelt idő [s]. A visszavert jel késleltetése: 2R tk = (2.5) c

- 30 -


2R 2R R = = (2.6) 8 −6 2 3⋅10 ⋅10 3⋅10 150 A 2.6 összefüggés szerint, ha R = 150 m távolságról visszaverődött rádióhullám késleltetési ideje 1 μs, azaz a céltárgy távolság minden kilométere 1000/150 ∼6,7 μs késleltetési időnek felel meg.

t k ( μs )=

2.2 SZÖGMÉRÉS A szögmérés azon a fizikai jelenségen alapszik, hogy minden antenna érzékeny arra, hogy milyen irányból érkezik rá az elektromágneses hullám. Feltételezzük azt, hogy az antenna n darab egymástól s távolságra lévő, lineárisan elhelyezett elemi sugárzóból áll. Ha a céltárgy nagy távolságban van az antennához képest, azaz R>>s, akkor az elemi sugárzókba a céltárgyról a jel párhuzamosan érkezik.

ϑ

ϑ

R

0 s 1

ΔR1

2 n-1

n

•

2.2. ábra A szögmérés elve

A különböző elemi sugárzókig az elektromágneses hullámok különböző nagyságú utat tesznek meg. Mivel az egyes elemi sugárzók között a távolság kicsi, ezért a beeső hullámok amplitúdóját egyenlő nagyságúnak tekinthetjük, de a jelek fázisairól ezt már nem mondhatjuk el. Az út különbséggel arányosan az egyes elemi sugárzókhoz eltérő fázisban érnek a hullámok. A „0” és „1” elemek közötti útkülönbség a 2.2. ábra alapján: ΔR1 =s⋅sin ϑ (2.7)

- 31 -

Sebességmérés

A „0” és „n” közötti útkülönbség ΔRn =n⋅s⋅sin ϑ (2.8) A fázis különbség a megtett úttal arányos, így a „0” és „1” elemek közötti fázis különbség: 2π ϕ 1 = β ⋅ΔR1 = s⋅sin ϑ (2.9)

λ

A „0” és „n” elemek közötti fáziskülönbség: 2π ⋅n⋅ s⋅sin ϑ ϕn =

λ

(2.10)

Az antennáról az egyes elemi sugárzók által vett jelek vektori összegét tudjuk levenni. Mivel a ϑ -tól függően a vett jelek fázisa változik, ezért az antenna érzékeny arra, hogy milyen szögből érkezik rá a jel. Maximális lesz a vett jel, amikor ϑ = 90°, és a legkisebb akkor lesz, amikor ϑ = 0°. Az antennáknak ez az irányérzékenysége teszi lehetővé a szögmérést. Az elektromágneses hullámok irányíthatóságából kiindulva a vízszintes és függőleges síkban olyan iránykarakterisztika hozható létre, amely keskeny sugárnyalábot eredményez. Így ismerve a sugárnyaláb helyzetét - az északhoz viszonyított oldalszögét (ϕ), a vízszinteshez viszonyított emelkedési szögét (ϑ), valamint a jel által megtett utat - egyértelműen három koordinátával behatárolható a céltárgy helye: R, ϕ, és ϑ. A ferde távolság, valamint az célhelyszög (ϑ) ismeretében - egyszerű matematikai összefüggéssel - számítható a céltárgy magassága: R2 H = R ⋅ sin ϑ + (2.11) 2r ahol: H - a céltárgy földfelszín feletti magassága R - a céltárgy ferde távolsága ϑ - a céltárgy emelkedési szöge -r - a föld sugara, figyelembe véve a rádióhullámok normális refrakcióját (r = 8500 km) R2 - a föld görbületéből adódó korrekciós tényező 2r

2.3 SEBESSÉGMÉRÉS A sebességmérés azon alapszik, hogy egy valamilyen frekvencián kisugárzott jel egy valamilyen radiális sebességgel mozgó céltárgyról visszaverődik, akkor a frekvenciája megváltozik. Radiális sebességen valamely cél sebességnek a lokátor felé (2.1.a. ábra), vagy tőle elmutató (2.1.b.) sebességösszetevőjét értjük. - 32 -

Rádiólokációs céltárgyak mérésének alapjai a.,

b.,

v

vr

vr

v

2.3. ábra A radiális sebesség értelmezése

Ezt a frekvenciaváltozást Doppler-frekvenciának (csúszásnak) hívjuk. Attól függően, hogy a céltárgy közeledik vagy távolodik a reflektált jel vagy korábban, vagy később érkezik a lokátorba az álló céltárgyhoz viszonyítva. A doppler-frekvencia számszerű meghatározásához tekintsük a 2.4. ábrán látható, az adó által kisugárzott, elektromágneses hullám egy szakaszát. Az AB hullám szakasz a fény terjedési sebességével halad. A hullámszakasz B vége az A helyére t idő múlva ér el. Ez az idő: d t= (2.12) c d

a., B

A

Adó jele

t1 b.,

s

Reflektált jel

t2 2.4. ábra A lokátor által kisugárzott jel

Ha a hullámszakasz útjában álló céltárgy van, azt ugyanennyi ideig világítja meg. Azonban haladjon a céltárgy az adó irányába vr radiális sebességgel. Ekkor a hullámnak a céltárgyhoz viszonyított sebessége c+vr. A d hoszszúságú út megtételéhez szükséges időt jelöljük t1-gyel, ennek értéke:

- 33 -

Sebességmérés

d (2.13.) c + vr Ez alatt az idő alatt a céltárgy által megtett út: d s = v r t1 = v r (2.14.) c + vr A hullámszakasz B végének ennyivel kevesebb utat kell megtennie a céltól a lokátorig. Az út megtételéhez szükséges idő: vr d s v t t2 = = r 1 = (2.15) c c c (c + v r ) Mint látható, a hullámszakasz megrövidült (2.4.b. ábra), ennek értéke időben kifejezve: vr d d d c − vr t1 − t 2 = − = (2.16) c + v r c (c + v r ) c c + v r A fenti kifejezésből látható, hogy a vételi idő az adás idejéhez viszoc − vr nyítva arányban csökkent. E csökkent idő alatt ugyanannyi periódus c + vr érkezik vissza, mint amennyit az adó kisugárzott. Ez csak úgy lehetséges, ha közben megnőtt a frekvencia. A növekedés mértéke arányos az idő csökkenésével. A vett frekvencia egy peridusára (d = λ): c + vr 1 (2.17) =f fv = t1 − t 2 c − vr A frekvenciaváltozás nagysága (dopplerfrekvencia): ⎛ c + vr ⎞ 2v r c + vr c + vr − c + vr −1⎟⎟ = f = fd = fv − f = f − f = f ⎜⎜ f − − − c − vr c v c v c v ⎝ ⎠ r r r (2.18) Figyelembe véve, hogy a fénysebesség mellett a céltárgy sebessége elhanyagolható: v fd = 2 r f (2.19) c 1 f Helyettesítsünk helyébe -t: λ c v fd = 2 r (5.20) t1 =

λ

Dimenziókkal:

⎡m⎤ v r ⎢⎣ s ⎥⎦ ⎡ 1 ⎤ fd = 2 = = = [Hz ] λ [m] ⎢⎣ s ⎥⎦

- 34 -

(2.21)


Ha a céltárgy sebességét km/h-ban, és az adó hullámhosszát cm-ben helyettesítjük, az alábbi egyszerű összefüggést kapjuk: 56v r (2.22) fd = Hz

λ

Ugyanez az összefüggés érvényes a lokátortól távolodó céltárgyak esetén is. A dopplerfrekvencia méréssel meghatározható. Ennek ismeretében a radiális sebesség: f λ vr = d (2.23) 2 Az összefüggésekből látható, hogy fd értéke vr-rel egyenesen, λ-val pedig fordítottan arányos. Pl: λ = 10 cm és vr = 100 km/h esetén fd = 560 Hz λ = 100 cm és vr = 100 km/h esetén fd = 56 Hz λ = 10 cm és vr = 200 km/h esetén fd = 1120 Hz

2.4 MÉRÉSI MÓDSZEREK A célkoordináták mérésének, attól függően, hogy melyiket mérjük, több módszere is lehet. Először vizsgáljuk meg a távolság mérésének módszereit. 2.4.1 A távolságmérés módszerei

Ahhoz, hogy távolságot tudjunk mérni, ismernünk kell az adó által kisugárzott jel hullámalakját, mert szükségünk van rá a vett jel vizsgálatánál. Ha ismerjük, hogy milyen jelet küldtünk ki, akkor fel tudjuk ismerni azt, amikor a vétel során visszaérkezik. Az adó jelének hullámalakját a moduláció módja adja meg, ha tehát ismerjük a lokátor modulációs módját, akkor ismerjük az általa kisugárzott jel alakját. A lokátoroknál alkalmazható modulációs eljárások közül az alapján választanak, hogy mi a lokátor feladata, azaz minek a mérésére tervezték. A távolságmérés lehetséges módszerei. - impulzusjelekkel, - lineáris frekvencia-modulált jelekkel, - fázis módszerrel, - fázismanipulált jelekkel, - zajmodulált jelekkel.

- 35 -

Mérési módszerek

A módszerek k közül csak az impulzusjelekkel történő távolságmérést mutatjuk csak be részletesen. A többi módszert a jegyzet 5. fejezetében fogjuk majd teljesen mértékben ismertetni. 2.4.1.1

Távolságmérés impulzusjelekkel

Az aktív rendszerű impulzusüzemű lokátorral való távolságmérést vizsgáljuk meg a következőkben, passzív céltárgy esetén. A mérés során a lokátor modulátora Um amplitúdójú négyszög moduláló jelet ad az adóra (2.5.a. ábra) A moduláló jel időtartama τa, az ismétlődési ideje Ti. A moduláló jel hatására az adó τa ideig Ua amplitúdójú és fa frekvenciájú színuszos, elektromágneses rezgéseket sugároz ki a megadott térrészbe (2.5.b. ábra). A kisugárzott impulzusok a célról visszaverődnek, és a cél távolsága által a.) Um

Um(t)

τa t Ti Ua(t)

b.)

fa

Ua

t c.)

τ

Uv

t d.)

Ud(t) Ud t 2.5. ábra Távolságmérés impulzusjelekkel

2R ) visszaérkeznek a vevőbe. Feltételezzük c azt, hogy ezalatt nem szenvednek semmilyen torzulást csak az amplitúdójuk csillapodik a távolsággal arányosan. A visszaérkezett jelet ezután a demodulátor demodulálja, azaz a burkolóját leveszi a vett jelnek. A demodulátorból a jelek az indikátor egységbe jutnak, ahol az a két jelet összehasonlítja, más szóval a két jel autokorrelációját képzi. Az autokorreleciós függvény a következő:

meghatározott késleltetéssel ( τ =

- 36 -


R(τ )= ∫ U v (t )⋅U a (t − t k )dt (2.24) A 2.24 egyenlet akkor adja a legnagyobb értéket, ha az általunk kiküldött jel érkezik vissza a vevőre, azaz Uv(t) = Ua(t-τ)-val (2.6. ábra). Ua(t) a.) t b.)

Uv(t)

τ t c.)

R(τ) t

2.6. ábra Az adott- (a.) és a vett jel (b.), valamint a kettő autokorrelációs függvényének időbeli változása (c.)

2.4.2 A szögmérés módszerei

Szögmérést alapvetően következő főbb módszerek szerint lehet végrehajtani: - maximum mérési módszerrel, - minimum mérési módszer, valamint - összehasonlító módszer alkalmazásával. 2.4.2.1

Maximum mérési módszer

Mint azt már a 2.2 részben tisztáztuk: a szögmérés alapja az, hogy az antennák érzékenyek arra, milyen irányból érkezik rájuk a jel. Ezt az iránykarakterisztikájuk fejezi ki. Az antenna iránykarakterisztikáján a vétel teljesítményét jellemző görbét értjük. A görbe maximuma az antenna elektromos tengelye, méretét pedig a függőleges és vízszintes síkban azon két pont közötti szög jellemzi, amelyeknél a teljesítmény értéke maximumnál 3 dB-el kisebb (Θ3dB). A maximum mérési módszer megvalósításához olyan iránykarakterisztikával kell rendelkeznie az antennának, amelynek egy kifejezhető (behatárolható) maximuma van (2.7.ábra). A mérés lényege az, hogy addig kell forgatni az antenna sugárnyaláb karakterisztikáját, amíg a célról visszavert jelszint nem maximális. A jel akkor lesz maximális, ha a cél iránya és az iránykarakterisztika maximuma, azaz az

- 37 -

Mérési módszerek

elektromos tengelye, egybeesik. Ha ez nem áll fenn, akkor a vett jel amplitúdója csökken. A maximum mérési módszer igen elterjedt a centiméteres és a deciméteres hullámtartományban, mivel ezekben a frekvenciasávokban viszonylag kicsiny antenna méretek esetén biztosítható a megfelelő - jól kifejezett maximummal rendelkező - sugárnyaláb kialakítása. 90°

Pmax

0,5 Pmax

270° 0,5 Pmax

0,5 Pmax

α

α β

ϑ

°

0°

180

Pmax 0°

0,5 Pmax

90°

b.) Vízszintes síkban

a.) Függőleges síkban

2.7. ábra Az antenna iránykarakterisztikája

A maximum mérési módszer előnye: - a viszonylagos egyszerűség, - gyors iránymeghatározás, - fedélzeti eszközön (repülőgép, helikopter, hőlégballon, gépjármű) is alkalmazható, mivel mozgás közben is lehet szöget mérni. A módszer hátrányos tulajdonsága: Az iránykarakterisztika a maximum környezetében nagyon kicsit változik (a derivált értéke közel nulla), ezért az antenna kis mértékű elforgatásával csak kis amplitúdó-változást lehet előidézni, így a maximumon való átmenet nehezen észlelhető, vagyis nehéz megállapítani a céltárgy pontos szögét valamint viszonylag kis szögmérési pontosságot lehet elérni, a mérési hiba: δβ =(0,15 - 0,3) Θβ,. (2.25) A módszer mérési pontossága fokozható az úgynevezett "villázási" eljárással, mely a 2.8. ábrán is látható. Ebben az esetben addig kell forgatni a lokátor antennáját, és ezzel egyidejűleg a sugárnyaláb karakterisztikát, míg egyenlő erősségű jelszintet (pl. 0,5 dB, vagy 0 dB) kapunk. Ebben az esetben a mérendő lokátor oldalszöge: β +β β= 1 2 (2.26) 2

- 38 -


Alapirány

U

β2

Célirány

β1

Zaj 0°

0

β1

β2

2.8. ábra A „villázási” eljárás

Ez a módszer azért pontosabb az előzőnél, mert a jelnek egy adott értéke (pl. a 0 dB-es érték) pontosabban mérhető, valamint a leolvasott értékek átlagolása felére csökkenti a véletlen hibát. A módszer lényeges hibája, hogy két jelérték beállítása időt vesz igénybe, amely alatt a szög értéke megváltozhat. 2.4.2.2

Minimum mérési módszer

A minimum módszer (2.9. ábra)esetén a lokátor antennájának olyan iránykarakterisztikája van, hogy az antenna tengelyének irányában a karakterisztikának minimum pontja van. Ez a módszer viszonylag nagy pontosságot biztosít, mivel a visszavert jel amplitúdója élesen változik a minimális sugárzási irányban (a derivált értéke viszonylag nagy), azaz a minimumon való átmenet nagyon pontosan megfigyelhető, szemben a maximumon való átmenettel. A mérési pontosság így jóval nagyobb. A módszer hátrányos tulajdonsága, hogy a minimum helyen az antenna által vett jel a zajhoz viszonyítva kisebb, mint a maximum helyen, ezért a hatótávolság is csökken. Ennek ellenére széleskörűen alkalmazzák ezt a mérési módszert.

2.9. ábra Iránykarakterisztika a minimum módszerhez

- 39 -

Mérési módszerek

2.4.2.3

Jelegyenlőségű módszer

a) Egyenlőjel módszer A módszer megvalósításához az antenna iránykarakterisztikáját úgy állítjuk be, hogy az bizonyos szögértékkel eltérjen az antenna optikai tengelyétől (2.10. ábra). Elektromos tengely (max. irány) γ

Optikai tengely

2.10. ábra Az antenna iránykarakterisztikája egyenlőjel módszer esetén

Ezt követően az iránykarakterisztikát a mérendő szögkoordináta síkjában lengetik. Legyen ez például a függőleges sík. A mérés módszerét a 2. 11. ábra szemlélteti. A célról visszavert jelek akkor egyenlők, ha a céltárgy az antenna optikai tengelyében van. Minden eltérő esetben a jelek amplitúdója egymáshoz viszonyítva különböző lesz. Az eljárás során a szögértéket akkor kell leolvasni, amikor a jelek egyenlők, vagyis a céltárgy iránya és az antenna optikai tengelyének egybeesésekor. Ez a módszer nagy mérési pontosságot biztosít a hatótávolság jelentős csökkenése nélkül, ha az iránykarakterisztika szélességét és a γ szöget optimálisan választjuk meg. Gyakorlati tapasztalatok alapján a γ szög értéke 1° közelében van, ha az iránykarakterisztika nyílásszöge 3-4°. H

H

H

ϑ Vízszintes 1. helyzet

Vízszintes 2. helyzet

Vízszintes 3. helyzet

2.11. ábra A jel változása a cél, az optikai- és az elektromos tengely relatív helyzetének függvényében

- 40 -


b) Kúpos letapogatás Az előbbi módszer esetén az antennával csak egy irányban tudunk mérni, vagy az oldalszöget, vagy az emelkedési szöget. Mindkét szögkoordináta egyidejű mérésére alkalmas a kúpos letapogatás módszere. A módszer lényege az, hogy az antenna iránykarakterisztikát az optikai tengely körül forgatjuk. Ekkor a karakterisztika tengelye a térben kúpot ír, innen a módszer elnevezése. Abban az esetben, ha a céltárgy az antenna optikai tengelyében van, akkor bárhol is van az antenna mindenhonnan egyenlő amplitúdóval veszi a céltárgyat, azaz jelegyenlőség alakul ki. Minden más esetben a céltárgyról visszavert jelek amplitúdója különböző lesz, és a jelek E amplitúdója szinusz függvény szerint változik: (2.27) E = E0 ⋅ [1 + m ⋅ sin(Ωat + Ψ0] ahol Ωa - az antennasugár forgásának szögsebessége, Ψ0 - a cél mozgásának antenna tengelyhez viszonyított irányától függő szinusz kezdeti fázisa, E0 - közepes amplitúdó, vagyis a cél és az optikai tengely irányának egybeesésekor kapható amplitúdó érték, m - modulációs tényező, amely adott iránykarakterisztika esetén a cél optikai tengelyéhez viszonyított eltérések nagyságától függ. 2.

1. 2.12. ábra A kúpos letapogatás elve

A szinuszos burkológörbe fázisa attól függ, hogy a cél az optikai tengelytől milyen irányba tér el. Ha a cél a 1. pontból indul, akkor a burkoló fázisa a 2.13. ábrán látható módon alakul. A burkoló modulációs mélysége a cél iránya és az antenna optikai tengelye által bezárt szög nagyságától függ. Ezek szerint a modulációs burkológörbe fázisa és amplitúdója által információt tartalmaz a kúp határain belül a cél optikai tengelyéhez viszonyított helyzetéről. Ez az információ felhasználható a cél automatikus követésére is.

- 41 -

Mérési módszerek

U

t a., U

E

t

b.,

2.13. ábra A kúpos letapogatás burkológörbéje a) a cél az optikai tengely irányában b) a cél 2. helyzetben

2.4.2.4

Monopulse (monoimpulzus) módszer

A mérő rendszerben a mérést két, a primersugárzó által előállított eltolt sugárnyaláb segítségével végzik 2.14. ábra. Attól függően, hogy a két primersugárzót hogyan helyezik el, attól függ, hogy a céltárgy oldalszögét, vagy emelkedési szögét lehet mérni. Ha a primersugárzókat vízszintesen egymás mellé rakjuk, akkor az antennarendszer a céltárgy oldalszögének a mérésére, ha függőlegesen egymás fölé helyezzük, akkor az emelkedési szög mérésére alkalmas. Ha egy antennarendszeren belül vízszintesen és függőlegesen is lerakjuk a primersugárzókat, akkor egyszerre tudunk oldal- és emelkedési szöget is mérni. A módszer lényege, hogy adás esetén a két iránykarakterisztika összegét sugározzuk ki. Vétel esetén a két karakterisztikát kivonjuk egymásból. Ez az eljárás egybeötvözi maximum és a minimum módszer előnyeit, mert adáskor a két iránykarakterisztika összegével sugárzunk ki, ami nem csökkenti a hatótávolságot, és a vétel esetén a különbségi jel biztosítja a nagy meredekséget az iránykarakterisztikában, így a mérés pontossága megegyezik a minimum módszer pontosságával.

1

2

a.,

1+2 1-2

b., 2.14. ábra Monopulse jelek

- 42 -

c.,

A rádiólokátorok harcászat-technikai jellemzői

3 A RÁDIÓLOKÁTOROK HARCÁSZATTECHNIKAI JELLEMZŐI A rádiólokátorok a célok helyparamétereit rendeltetésüktől függően különböző pontossággal tudják meghatározni. Az, hogy valamely rádiólokátor a célok helyparaméterei közül melyiket és milyen pontosan tudja mérni, a rádiólokátor technikai megoldásától és az elektromágneses hullámok terjedési viszonyaitól függ. A rádiólokátorok alkalmazhatóságát a katonai szakterminológia röviden harcászat-technikai jellemzők néven csoportosítva adja meg. Ezek szerint tehát a rádiólokátorok harcászat-technikai jellemzőin azokat a technikai paramétereket értjük, amelyek meghatározzák az adott rádiólokátor alkalmazási lehetőségét és technikai realizálhatóságát. Sok esetben beszélnek külön harcászati és külön technikai jellemzőkről. Ezért, a fogalmak azonos értelmezése miatt szükséges ezek meghatározása is. A harcászati jellemzők közé soroljuk azokat a technikai paramétereket, amelyek közvetlenül meghatározzák az adott típusú rádiólokátor felhasználási lehetőségét. Technikai jellemzők közé soroljuk azokat a technikai paramétereket, amelyek elsősorban a rádiólokátor technikai megoldására vonatkoznak, és ismeretükben meghatározhatók a harcászati jellemzők. Egy rádiólokátor harcászati és technikai jellemzői az alábbiak: Harcászati jellemzők: A rádiólokátorral mért helyparaméterek mérési pontossága. Ezek a paraméterek a következők: - a rádiólokátor maximális hatótávolsága (Rmax), - minimális hatótávolsága (Rmin), - távolság szerinti mérési pontossága, - szögkoordináták (βmax, ϑmax) méréshatárai, - szögkoordináták mérési pontossága, - távolság- és szög szerinti felbontóképessége (ΔR, Δβ, Δϑ), - a légtér-letapogatás módja és sebessége, - a rádiólokátor aktív és passzív zavarok elleni védettsége, - a rádiólokátor üzemeltetésére, telepítésére és szállítására vonatkozó adatok. Technikai jellemzők: - Az adó teljesítménye( Pa),

- 43 -

Mérési módszerek

- az adó frekvenciája (fa), amit üzemi frekvenciának is nevezünk, - az antenna sugárzási karakterisztikája, - a rádiólokátor vevő érzékenysége és sávszélessége. Az egyes harcászati és technikai jellemzőket az alábbiak szerint határozhatjuk meg: Maximális hatótávolság (Rmax) a rádiólokátortól mért azon legnagyobb távolság, amelynél a célok leolvasása az indikátoron még folyamatosan lehetséges (a rádiólokátor még időszakosan sem veszíti el a célt), a rádiólokátor törzskönyv szerinti behangolása esetén. Minimális hatótávolság (Rmin): a rádiólokátortól mért azon legkisebb távolság, ahonnan az indikátoron a célok távolságának leolvasása egyértelmű és folyamatos. Távolság szerinti mérési pontosság; a rádiólokátorral mért célnak a tényleges távolsághoz viszonyított távolsága. Jellemzője a távolsági hiba. Szögkoordináták (ϑ, β) méréshatárai: a ϑ, és β azon szélső értékei, amelyeken belül a célok oldalszöge és helyszöge (magassága) a rádiólokátorral folyamatosan mérhető. Szögkoordináták mérési pontossága: a rádiólokátorral mért célnak a tényleges irányhoz viszonyított oldal- és helyszöge. Jellemzője az oldalszöghiba és a emelkedési szöghiba. Távolság szerinti felbontóképesség (ΔR): az azonos irányban lévő két cél közötti azon legkisebb távolság, amelynél a rádiólokátor indikátorernyőjén a célok távolságai még külön-külön leolvashatók. Szög szerinti felbontóképesség (Δϑ,Δβ): az azonos távolságban lévő célok azon oldal- és helyszöge, amelynél ϑ és β értékei az indikátoron még külön-külön leolvashatók. A légtér letapogatási módja: az az eljárás, amely szerint az antenna sugárnyalábját a kívánt térrészben mozgatjuk. A légtér letapogatási sebessége: megmutatja, hogy a sugárnyaláb egy időegység alatt hányszor tapogatja le az adott térrészt. Rádiólokátorok aktív és passzív zavarok elleni védettségén: azt értjük, hogy a rádiólokátor milyen mértékben tudja kiszűrni a zavarokat. A rádiólokátor üzemeltetésére, telepítésére és szállítására vonatkozó adatok a rádiólokátor üzembe helyezését, működtetését, menetkészségét és mozgékonyságát jellemzik. Az adó teljesítménye (Pa): a rádiólokátor nagyfrekvenciás teljesítménye, melyet az adó oszcillátora állít elő. Az adó frekvenciája (fa): az adóoszcillátor által előállított nagyfrekvenciás jel frekvenciája. üzemi frekvenciának is szokás nevezni. Az antenna sugárzási karakterisztikáján: az antenna sugárzási teljesítményét értjük az irány függvényében. Az antenna sugárzási karakterisztikáját

- 44 -


a sugárnyaláb nyílásszögével szokás jellemezni, amelyen a fősugárzási irány P (ahol P=Pmax) és azon irány közötti szög kétszeresét értjük, ahol ( P= max ) 2 A rádiólokátor vevő érzékenysége és sávszélessége: A vevőérzékenység (Pvmin) az a legkisebb jelteljesítmény, amelynél a detektor előtt a jel-zaj teljesítményviszony egységnyi. A sávszélesség (B) a vevő erősítés-frekvencia karakterisztikájának 3 dB-es pontjai közötti frekvenciatartomány (rezonanciafrekvenciára hangolt vevő esetén). A legjobb harcászat-technikai jellemzőjű rádiólokátoroknál sem biztosítható, hogy minden technikai paraméter a maximálisan elérhető legjobb értéket vegye fel. Pl. nem lehet olyan rádiólokátort tervezni, amelynek igen nagy távolságok esetén is jó a szög- és távolságszerinti felbontóképessége, illetve a mérési pontossága. Ezért minden rádiólokátort meghatározott feladat végrehajtására terveznek úgy, hogy valamely paraméter maximális értékeinek biztosítását figyelve a többi paraméter optimális értéket vegyen fel. Az előző példát figyelembe véve: ilyen nagy (több száz, esetleg ezer km) hatótávolság eléréséhez növelni kell az adó teljesítményét, az impulzusidőt, ezáltal nő az állomás súlya, csökken a mozgékonysága és távolság szerinti felbontóképessége. Mint látható, a különböző paraméterek között szoros kapcsolat van. Valamely paraméter megválasztása esetén a többi paraméter már nem választható meg szabadon. Ezek után felvetődik a kérdés: milyen kapcsolat van az egyes paraméterek között? Csak akkor kaphatunk erre választ, ha részletesen ismerjük a harcászati és technikai jellemzőket. Ezért a fentieknél kissé részletesebben vizsgáljuk meg a harcászat-technikai jellemzőket és az azokat befolyásoló tényezőket.

3.1 RÁDIÓLOKÁTOROK HARCÁSZATI JELLEMZŐI

3.1.1 Maximális hatótávolság (Rmax)

Az impulzusüzemű rádiólokátorok maximális hatótávolságát elméletileg a moduláló jel ismétlődési frekvenciája határozza meg azáltal, hogy megszabja a két kisugárzott impulzus közötti időt. Ha a moduláló jel frekvenciája 1 fi, akkor az impulzusok közötti idő =Ti , mely alatt az elektromágneses hulfi lámok a maximális távolságról érkezhetnek vissza.

- 45 -

Rádiólokátorok harcászati jellemzői

cTi (3.1) 2 Ha a kifejezésben meghatározottnál nagyobb távolságon lévő céltárgyakról visszaérkezett jelek szintje elég nagy ahhoz, hogy az indikátoron még felismerhetők legyenek, akkor gondoskodnunk kell ezek elnyomásáról, mert téves detekciót okoznak, mert nem lehet pontosan meghatározni, hogy melyik adóimpulzustól származnak. Mint később látni fogjuk, a rádiólokátor maximális hatótávolságát a technikai jellemzők (az adó teljesítménye, az adó frekvenciája, a tápvonal és az antenna jellemzői, a vevő érzékenysége és sávszélessége, a moduláló jel impulzusideje, a céltárgy letapogatásának módja és sebessége, valamint az indikáció módja és az indikátor felbontóképessége) együttesen határozzák meg, de ezen kívül függ még a cél hatásos felületétől és az elektromágneses hullámok terjedési viszonyaitól is. E két utóbbi tényezőt nem befolyásolhatjuk, ezért mindig előfordulhat téves detekció. A téves detekció elkerülésére célszerű lenne az impulzus ismétlődési frekvencia (fi) csökkentése, azaz az impulzus ismétlődési idő (Ti) növelése. De sajnos fi nagysága sem választható meg szabadon, mivel csökkentésével a céltárgyról kapott információ mennyisége is csökken (azonos antennaforgási sebességet feltételezve). Ezért fi-t a rádiólokátor összes technikai paramétereinek figyelembevételével határozzák meg úgy, hogy a szükséges távolsági követelményeknek minden szempontból legjobban megfeleljen. Az fi által meghatározott maximális hatótávolságot ideális hatótávolságnak is nevezzük, mert a rádiólokátor a legjobb körülmények esetén is csak fi által meghatározott távolságig tud mérni téves detekció nélkül. Tételezzük fel, hogy a rádiólokátornak olyan impulzus ismétlődési frekvenciája van (fi), hogy az egyéb paraméterek által meghatározott maximális hatótávolságon (Rmax) belül van. Ezután vizsgáljuk meg, hogy a különböző paraméterek és a maximális hatótávolság között milyen összefüggés van. Vizsgálatainkat először szabadtéri terjedésre korlátozzuk. Rmax =

3.1.2 Szabadtéri hatótávolság

Szabadtéri hatótávolság az adott céltárgynak a rádiólokátortól mért azon legnagyobb távolsága, amelyről a vett jel még éppen az előírt minőségű detekciót ad szabadtéri terjedést feltételezve. Szabadtéri terjedéssel a következő feltételek teljesülése esetén számolhatunk: - optikai átlátás van az antenna és a céltárgy között, - a közbeeső légkör törésmutatója állandónak tekinthető, - a légkör elég átlátszónak tekinthető, tehát energiát nem abszorbeál,

- 46 -


- a földfelület módosító hatása és a külső és belső veszteségek elhanyagolhatók. A távolfelderítő lokátoroknál nyilvánvaló az a törekvés, hogy minél nagyobb hatótávolságot tudjunk elérni. Nagy távolság áthidalása lokátorokkal bonyolultabb, mint hasonló távolságon elhelyezet rádió adó és vevő között, mert a rádió esetén csak az adótól a vevőig lépnek fel terjedési veszteségek, míg a rádiólokációnál a lokátortól a célig és a céltól a lokátorig is érvényesülnek. A következőkben vizsgájuk meg, hogy milyen technikai paraméterektől függ a szabadtéri hatótávolság. A hatótávolság az egyéb technikai paramétereken kívül függ attól is, hogy milyen céltárgy esetén vizsgáljuk. A hatótávolságot ezért célszerű megvizsgálni passzív- és aktív céltárgy esetén. 3.1.2.1

A hatótávolság aktív rádiólokátor, bisztatikus elrendezés és passzív céltárgy esetén

Első közelítésben tételezzük fel, hogy a szabadtéri terjedés követelményei biztosítva vannak. A rádiólokátor a céltárgyat megvilágítja (besugározza). A céltárgytól az elektromágneses hullámok minden irányban reflektálódnak (3.1. ábra). A reflektált hullámok egy kis része visszajut a rádiólokátorhoz, melyet a rádiólokátor vevő felerősít és átalakítás után az indikátorra juttat. Az indikátor a jelet láthatóvá teszi, feltéve, hogy a vett jel mindig a zajszint felett van. Bisztatikus elrendezés esetén az adó és a vevő antenna nem ugyanaz. A letapogató nagyfrekvenciás jel besugározza a légtér egy részét. Ha az irányított antenna irány karakterisztikájában cél tartózkodik, akkor az a tulajdonságaitól függően szétszórja, illetve a visszaveri a lokátor vevő antennájába a kapott sugárzást. Sc, σ

R1 Pa, Ga ADÓ VEVŐ

R2

Passzív céltárgy

Av, Sv

3.1. ábra Rádiólokátor hatótávolsága passzív céltárgy és bisztatikus elrendezés esetén

Az 3.1. ábra alapján meghatározható a lokátortól R1 távolságra lévő céltárgynál a fősugárzási irányban a felületegységen áthaladó teljesítmény (Sc): - 47 -


Pa ⎡W ⎤ (3.2) ⋅Ga ⎢ 2 ⎥ 2 4π R1 ⎣m ⎦ ahol S0 az izotróp antenna által R távolságra létrehozott teljesítménysűrűség W ( 2 ), Pa az adó teljesítménye (W) és Ga az adó antenna nyeresége. m Mivel az antennától elég nagy távolságban - még irányított antennák esetén is - a sugárkúp a céltárgyak felületénél jóval nagyobb, ezért a céltárgy a sugárkúpból a hatásos felületének (Ac) megfelelő teljesítményt vesz fel. Ezt a tér minden irányában szétszórja. A céltárgy által felvett teljesítmény: Pa Ga Pc =S c ⋅ Ac = ⋅ Ac [W ] (3.3) 4π R12 A cél az általa felvett teljesítménnyel (Pc) képes sugározni. Az R2 távolságban lévő vevő antennánál létrehozott teljesítmény-sűrűség: Pa Ga Ac Gc ⎡ W ⎤ P (3.4) S v =S 0 ⋅Gc = c 2 ⋅Gc = 4π R2 (4π ) 2 R12 R22 ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ A céltárgy hatásos felületének (Ac) és a nyereségének (Gc) a szorzatát nevezzük a céltárgy hatásos keresztmetszetének, vagy hatásos felületének. A céltárgy hatásos felülete (σ) azonos a céltárgy helyén lévő olyan fémgömb felületével, mely a rádiólokátor felé ugyanannyi teljesítményt sugároz vissza, mint a tényleges céltárgy. A céltárgyak hatásos felülete függ attól, hogy a céltárgyat milyen irányból látjuk, ezért nem tudjuk kifejezni egyetlen számmal csak egy maximális és egy minimális értéket tudunk megadni rá, így a középértékével számolunk. A vevőnél létrejött teljesítmény-sűrűséget (Sv) és a vevő antenna hatásos felületét (Av) ismerve megtudjuk határozni a vevő által felvett teljesítményt: Pa Ga σ Av [W ] Pv =S v ⋅ Av = (3.5) (4π ) 2 R12 R22 A maximális hatótávolságot úgy kapjuk meg, ha a 3.5 egyenletből kifejezzük R1 és R2-t, illetve a Pv helyébe az előírt minőségű detekcióhoz szükséges Pvmin -ot helyettesítjük. Legyen Pvmin az a legkisebb vett teljesítmény, mely az indikátoron még kiértékelhető jelet ad. (Pontosabban megfogalmazva: a S c =S 0 ⋅Ga =

vevő detektorának bemenetén ahhoz szükséges, hogy a

PJ =1 legyen - ahol Pj PZ

a jelteljesítmény és Pz a zajteljesítmény. Ekkor a hatótávolság: PG σA R1 R2 = a a2 v [m] (3.6) (4π ) Pv min A hatótávolságot tehát a két távolság, - a lokátor és a céltárgy közötti (R1), illetve a céltárgy és a vevő közötti (R2) - együtt határozza meg.

- 48 -


3.1.2.2

A hatótávolság aktív rádiólokátor, monosztatikus elrendezés és passzív céltárgy esetén

Monosztatikus elrendezés esetén az adó és a vevő antenna ugyanaz. Ezt az elrendezést az impulzus-üzemű lokátoroknál lehet alkalmazni, ahol az adás és vétel üzemmódok felváltva követik egymást. A lokátor először kisugározza az adó impulzust, majd vételre kapcsolva veszi a különböző céltárgyakról visszaverődő jeleket. Egy időben a lokátor vagy ad, vagy vesz, így ugyanazt az antennát lehet használni az adásnál, illetve a vételnél. A bisztatikus elrendezéshez képest annyival egyszerűsödik a hatótávolság kiszámítása, hogy monosztatikus esetben nem kell két távolságot figyelembe venni, mivel a vevő- és az adóantenna ugyanaz, tehát a lokátor adó és a céltárgy, valamint a céltárgy és a lokátor vevő között a távolság ugyanakkora: R1 = R2 = R Passzív céltárgy

R Pa, Ga

Sc, σ

Av, Sv 3.2. ábra Rádiólokátor hatótávolsága passzív céltárgy és monosztatikus elrendezés esetén

A lokátortól R távolságra lévő céltárgynál létrehozott teljesítménysűrűség (Sc): P ⎡W ⎤ S c =S 0 ⋅Ga = a 2 ⋅Ga ⎢ 2 ⎥ (3.7) 4π R m ⎣ ⎦ ahol S0 az izotróp antenna által R távolságban létrehozott teljesítménysűrűség ⎡W ⎤ ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ , Ga az adó antenna nyeresége. A céltárgy által felvett teljesítmény (Pc): PG Pc =S c ⋅ Ac = a a2 ⋅ Ac [W ] (3.8) 4π R ahol Ac a céltárgy hatásos felülete (m2). A lokátor antennánál a cél által létrehozott teljesítménysűrűség (Sv): P G A G ⎡W ⎤ P S v =S 0 ⋅Gc = c 2 ⋅Gc = a a 2 c 4 c ⎢ 2 ⎥ (3.9) 4π R (4π ) R ⎣ m ⎦ ahol Gc a céltárgy nyeresége.

- 49 -


A vevő antenna által vett teljesítmény (Pv), ha az Ac ⋅ Gc szorzat helyett σ-t írunk: PG σA Pv =S v ⋅ Av = a a 2 4v [W ] (3.10) (4π ) R ahol Av a vevő antenna hatásos felülete (m2). Ebből a hatótávolságot (Rmax) kifejezve, ha a vett teljesítmény helyett (Pv) a detekcióhoz szükséges küszöbértéket (Pvmin) írjuk be: PG σA Rmax =4 a a2 v [m] (3.11) (4π ) Pv min Ezt más alakban is fölírhatjuk, ha felhasználjuk az antenna nyeresége és hatásos felülete közötti összefüggést: Ga 4π (3.12) = Ah λ2 Az 3.12. egyenletből egyszer a nyereséget, egyszer a hatásos felületet kifejezve és azt behelyettesítve 3.11.-be a hatótávolság következőképpen alakul: λ Ga Av σ Pa σ Pa [m] Rmax =4 ⋅ =4 ⋅ ⋅ (3.13) 4π Pv min λ 4π Pv min 4π 3.1.2.3

A hatótávolság aktív rádiólokátor, monosztatikus elrendezés és aktív céltárgy esetén

Aktív céltárgy esetén külön kell vizsgálnunk a lokátor adó és a céltárgy, vevője, illetve a céltárgy adója és a lokátor vevője közötti hatótávolságot. A két hatótávolság közül természetesen a kisebbik fogja meghatározni a valóságos hatótávolságot. Ez nagy valószínűséggel a céltárgy adója és a lokátor vevője közötti távolság lesz. Ennek egyik oka, hogy a céltárgyon elhelyezett adónak sokkal kisebb lehet csak a teljesítménye, mint a földön elhelyezett lokátornak, a másik oka, hogy a céltárgyon használható adó antennának a nyeresége sokkal kisebb, mint a lokátoré, mert szemben a lokátor nagy irányítottságú antennájával, annak körsugárzónak kell lennie, hogy mindig képes legyen a vevő antenna felé jelet sugározni bárhol is van a légtérben. Először a lokátor által a céltárgy vevő antennájánál létrehozott teljesítménysűrűséget (Sc) határozzuk meg: P ⎡W ⎤ S c =S 0 ⋅Ga = a 2 ⋅Ga ⎢ 2 ⎥ (3.14) 4π R ⎣m ⎦ ahol Pa az impulzus üzemű adó csúcsteljesítménye (W), Ga az adó antenna nyeresége és R a távolság a lokátor és céltárgy között [m]. Ac, Pvc Pa, Ga

aktív céltárgy Gc, Pac

R

- 50 -


Av, Pv

3.3 ábra Rádiólokátor hatótávolsága aktív céltárgy és monosztatikus elrendezés esetén

A céltárgy vevő antennája által felvett teljesítmény (Pvc): PG A Pvc =S c ⋅ Ac = a a 2 c [W ] (3.15) 4π R ahol S0 az izotróp antenna által R távolságra létrehozott teljesítmény sűrűség ⎡W ⎤ 2 ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ és Ac a céltárgy antennájának a hatásos felülete [m ]. A maximális hatótávolságot meg kapjuk, ha a vett teljesítmény helyett a detekcióhoz szükséges küszöb teljesítményt írjuk be: PG A Rmax = a a c [m] (3.16) 4π Pv min Ha 3.16 egyenletbe behelyettesítjük 3.11 egyenletet, akkor a következő összefüggést kapjuk: Pa Ga Gc λ2 λ Pa Ga Gc [m] Rmax = = (3.17) Pv min (4π ) 2 Pv min 4π A céltárgy adója és a lokátor vevője közötti hatótávolság meghatározásához ugyanezeket a lépéseket kell végig csinálni, csak a Pa (a lokátor adó teljesítménye) helyett Pc-t (a céltárgy adójának teljesítménye), Ga (a lokátor antennájának nyeresége) helyett Gc-t (a céltárgy antennájának nyeresége), Ac (a céltárgy antennájának hatásos felülete) helyett Av-t (a lokátor antennájának hatásos felülete) kell beírni a 3.16 és 3.17 egyenletekbe. A behelyettesítések után az alábbi eredményt kapjuk a maximális hatótávolságra: Pc Gc Av Pc Gc Ga λ2 λ Pc Gc Ga [m] Rmax = = = (3.18) Pv min (4π ) 2 Pv min (4π ) 2 Pv min 4π A 3.18 egyenlet adja meg, mint azt fent már megállapítottuk, a két hatótávolság közül azt, amelyiket a tervezésnél figyelembe kell vennünk. A 3.6, a 3.11 és a 3.18 egyenletekben meghatározott hatótávolságok csak elméleti hatótávolságot adnak, hiszen szabadtéri terjedést feltételeztünk, de alkalmasak néhány fontos következtetés levonásra a hatótávolság tekintetében. A hatótávolságot alapvetően: - az adó által kisugárzott teljesítmény, - az adó antenna nyeresége, - a cél hatásos keresztmetszete, - 51 -


- a vevő antenna hatásos felülete, - a vételhez szükséges legkisebb teljesítmény határozza meg. Ha növelni akarjuk a hatótávolságot, akkor növelni kell az adó teljesítményét. Mint az látható az 3.6 és az 3.11 egyenletből, a hatótávolság megkétszerezéséhez a kisugárzott teljesítményt a tizenhatszorosára kell emelni paszszív céltárgy esetén. Aktív céltárgy esetén a hatótávolság kifejezésében csak a négyzetgyök szerepel a 4. gyök helyett, ezért nő a hatótávolság a passzív céltárgyhoz viszonyítva, ami jól alátámasztja alkalmazásának szükségességét. A hatótávolság növelését eredményezi továbbá az antenna nyereségének növelése, amit az adó frekvenciájának növelésével lehet elérni. Az adóteljesítmény növelésének, illetve a frekvencia növelésének az adóoszcillátorként használható aktív áramköri elem szab határt. A hatótávolság úgy függ a vevő antenna hatásos felületétől, hogy ha megnöveljük, az antenna méreteit, akkor a hatótávolság is növekszik. Azonban a túlzottan nagy antenna a lokátor méretét és tömegét, valamint a gyártási költséget is növeli, illetve csökkenti a lokátor mozgékonyságát. A kifejtésekből látható még, hogy a hullámhossz egyenes arányos a vett hatótávolsággal. Vagyis azonos irányélesség és egyéb adatok mellett hoszszabb hullámok esetén nagyobb a hatótávolság. Ennek oka az, hogy hosszabb hullámhoz nagyobb antennafelület tartozik, mely a térből nagyobb teljesítményt fog fel. A vételhez minimálisan szükséges teljesítménytől úgy függ a hatótávolság, hogy annak csökkentésével nő a hatótávolság A minimálisan szükséges vételi teljesítmény csökkenthető minél kisebb zajú erősítők kifejlesztésével. Ha mód van rá, célszerűbb az adóteljesítmény növelése, mert ekkor a zavarmentesség is nő. A hatótávolság növelése (a kiszajú erősítők megjelenése miatt) inkább a küszöbjel csökkentésével, mint az adóteljesítmény növelésével valósítható meg. 3.1.3 A rádiólokátor hatótávolságát csökkentő tényezők

3.1.3.1

A föld görbültsége és a légkör hatása

Homogén közegben a mikrohullámok - ugyanúgy, mint a fényhullámok - egyenes vonalban terjednek. Ezért a föld görbültsége a rádiólokátor hatótávolságát akkor is korlátozza, ha egyébként a láthatóság biztosítva van. Az egyenes vonalú terjedés lehetővé teszi, hogy meghatározzuk azt a pontot, ameddig a föld felszínén a rádiólokátor „látótávolsága” terjed. Látóvonal A

- 52 -

A rádiólokátorok harcászat-technikai jellemzői 3.4. ábra A lokátor látótávolsága

A 3.4. ábra szerint az optikai látóhatár és a rádiólokátor látóhatára egybeesik. Az optikai látóhatáron túl (A pont) a rádiólokátor csak azokat a célokat látja, amelyek a látóvonal felett vannak. Ha az antenna magassága (h1) és a cél magassága (h2) ismert (3.5 ábra), akkor meghatározható az a legnagyobb távolság (D0), ameddig a rádiólokátor a célt látja. D0 D1

h1

D2

I.

II. h2

RF + h2

RF + h1

3.5. ábra Az összeköttetés távolságának számítása

Az I. háromszögből:

ve:

(R

+h1 ) = D12 + RF2 (3.19) ahol RF a föld sugara (RF = 6370 km). Az 3.19 egyenletet D1-re rendez2

F

D1 = RF2 +2 RF h1 +h12 − RF2 (3.20) 2 3.20-ban a h1 -et elhanyagolhatjuk, mivel az antenna magassága csak néhányszor tíz méter, amit a több ezer kilométernyi RF mellett elhanyagolható, így a végeredmény: D1 = 2RF2 h1 (3.21) Ha RF-t kilométerben és h1-et méterben helyettesítjük be, akkor a látótávolság (D1): D1 =3,56⋅ h1 [km] (3.22) Hasonló módon számolható ki D2 értéke is a II. háromszögből. D1 és D2 összege a legnagyobb optikai látótávolságot adja: D0 = D1 + D2 = 3,56⋅ h1 + h2 (3.23) Az előbbi összefüggés csak akkor érvényes, ha a hullám homogén közegben terjed. A földet körülvevő légkör viszont nem tekinthető homogénnek, ezért hatását célszerű kissé részletesebben megvizsgálnunk. Ha az elektromágneses hullám terjedése közben új közeg határához ér, akkor megváltoztatja irányát. Ezt a jelenséget törésnek, refrakciónak nevezzük. (A beesési normálist, a beesési szöget és a visszaverődési szöget a fizi-

(

- 53 -

)


kában definiáltak szerint használjuk.) A hullám a beesési merőlegeshez törik, ha ritkább közegből sűrűbb közegbe, illetve a merőlegestől törik, ha sűrűbb közegből ritkább közegbe halad. A közeg sűrűségi állapotát az dönti el, hogy a hullámok sebessége növekedett-e, vagy csökkent. Ha a hullám sebessége egy új közegbe érve növekszik, akkor sűrűbb közegből ritkább közegbe jutott. A törési jelenség nemcsak akkor lép fel, ha a két közeg törésmutatója élesen elhatárolható, hanem akkor is, ha a változás folyamatos. Ha az anyag belsejében sűrűségváltozás van, akkor a törésmutató is egyenletesen, folyamatosan változik, és a törési jelenség is ezt követi. Ilyen jelenség tapasztalható a légkörben. A földfelülettől mért különböző magasságokban a levegő egyre jobban ritkul, így törésmutatója folyamatosan nő. Ha a földről elektromágneses hullámokat bocsátunk ki a térbe, az elektromágneses hullámok hamarosan ritkább közegbe érnek, és így a beesési merőlegestől törnek. A beesési merőleges éppen a föld tengelyébe mutat, a hullámok tehát a földfelület irányába törnek meg (3.6. ábra). Ezek szerint tehát a rádióhullámok a légtérben nem egyenes vonalban terjednek, hanem egy kissé elhajlanak a föld felé. Ezt a jelenséget refrakciónak nevezzük. A törésmutató a frekvenciával is változik. Minél nagyobb a frekvencia, annál jelentékenyebb az irányváltozás. Ez több szempontból is lényeges: a föld görbületének követésével megnő a rádiólokátor hatótávolsága, ezenkívül - különösen a nagyteljesítményű, nagy hatótávolságú rádiólokátorok esetén meghamisítódnak a cél pontos helyéről nyerhető információk.

3.6. ábra A légkör hatása a hullámok terjedésére

A levegő sűrűségét a hőmérséklet is befolyásolja, és nyilvánvaló, hogy a magasságtól függő csökkenése a föld különböző tájain más és más értékű lesz. Ennek következtében a m-es, mm-es tartományba eső hullámok terjedése az éghajlattól is függ. A hőmérséklet magasságtól függő változása viszont az időjárástól függ, tehát a visszahajlás szöge az időjárásnak is függvénye. Ezen kívül számításba kell vennünk egy sokkal nehezebben megfogható elemet, a légköri nedvességet is. A troposzférában (80 km alatt) a nedves levegő törésmutatójára a következő empirikus összefüggést állapították meg: - 54 -


79 ⎛ 4800e ⎞ n=1+ 6 ⎜ p−e+ (3.24) ⎟ 10 T ⎝ T ⎠ ahol n = ε r a törésmutató, T az abszolút hőmérséklet (°K), p a légnyomás (mbar), e a vízgőz parciális nyomása (mbar). A fenti kifejezés független a frekvenciától, tehát minden frekvenciára érvényes. Mivel csak 80 km alatt érvényes, a korszerű magasságmérő rádiólokátorok viszont 80 km felett is mérnek, így nagyobb magasságban is meg kell vizsgálnunk a törésmutató változását. Nyolcvan km-nél magasabban nedvesség már gyakorlatilag nincsen, de itt már számolnunk kell a levegő ionizált voltával. A 80 km fölötti magasságok esetén a törésmutató: N e2 −2 N n= 1 − = 1 − 8 , 1 ⋅ 10 (3.25) mf 2 f2 ahol N az elektron sűrűsége (cm3-enként), e az elektron villamos töltése (1,6 ⋅ 10-l9 As), m az elektron tömege (0,91 ⋅ 10-27 g), f a frekvencia (Hz).

3.7. ábra Elektronsűrűség változása a magasság függvényében

Az e és m konstans, tehát csak az N és az f napszaktól is függő változása (3.7. ábra) dominál. Mivel N értéke a hely függvénye, így az f megválasztásával n értéke is kellő nagyságra adódik. A maximális hatótávolság megállapításához a refrakció hatását is figyelembe kell vennünk. Ez viszont bonyolult számítási módszerekhez vezetne, ezért közelítő eljáráskor a refrakció kompenzálására megnövelt földsugárral - 55 -


számolunk (8500 km-rel). Ezzel az optikai látóhatár távolsága megnövekszik, és Dl számítására (3.26) D1 =4,12 h1 (km), D számítása helyett pedig a D=4,12 h1 + h2 (km) (3.27) összefüggéseket alkalmazzuk (hl,h2 értékeket m-ben helyettesítjük).

(

3.1.3.2

)

A szuperrefrakció.

Ha a légköri körülmények erősen eltérnek az átlagostól, akkor az elektromágneses hullámok elhajlása is módosul, és a rádiólokátor hatótávolsága is megváltozik. Ha a légköri sugártörés nagyobb, mint amit az átlagos feltételek előidéznek, akkor a sugarak jobban követik a föld görbületét, és az alacsonyan repülő céltárgyakra vonatkozó hatótávolság megnő. Az átlagostól különböző sugártörés miatt létrejött elhajlást szuperrefrakciónak nevezzük. A légkör hőmérséklete - átlagos körülmények között - a föld felületétől több km magasságig, a magassággal arányosan csökken. Ez érvényes a levegő nedvességtartalmára is (3.8. ábra).

3.8. ábra A levegő hőmérsékletének(a.) és nedvességének (b.) változása a magasság függvényében

A szuperrefrakciót a meleg levegőnek hűvös víz felett való áramlása idézi elő. A víz párolgása a felületről - a felület közelében - nedvességkoncentrációt és hőmérsékletcsökkenést idéz elő. A hőmérséklet változása és a nedvesség növekedése miatt az elektromágneses hullámok követik a föld görbületét és az így kialakult rétegen belül a rádiólokátor hatótávolsága megnövekszik (3.9. ábra).

- 56 -


3.9. ábra A szuperrefrakció hatása a terjedésre

3.1.3.3

További veszteségek

A rádiólokátorok hatótávolságát nagymértékben befolyásolják azok a veszteségek, amelyek részben a légkör csillapító hatásából, részben a berendezés nem tökéletes voltából, részben pedig a rádiólokátort kiszolgáló személyzet pszichológiai állapotából adódnak. Az egyes veszteségek egyenként viszonylag kis hibát okoznak, összességükben azonban sok esetben felére is lecsökkenthetik a rádiólokátor hatótávolságát. Ezért igen fontos, hogy minden veszteséget a minimálisra csökkentsünk. Az alábbiakban megadjuk a leggyakrabban fellépő veszteségek nagyságrendjét: - a légkör csillapítása kétutas terjedés esetén kb. 2 dB/100 km, - nem ideális berendezés miatt kb. 6..8 dB, mely a következőkből tevődik össze: tápvonal veszteségek 3..4 dB, tápvonal csatlakozások kb. 0,5 dB, forgáspontok kb. 0,5 dB, adás-vétel kapcsolók 0,6...1,5 dB, az adóteljesítmény csökkenése a frekvencia elhangolódása miatt kb. 1 dB, a vevő karakterisztikájának eltérése az illesztett vevőhöz képest kb. 0,5...1 dB, a biztonságos küszöbszint beállításához szükséges jelteljesítmény kb. 1 dB, nem tökéletes lehangolás 0,5...3 dB, - a kezelőszemélyzet okozta veszteségek kb. 8 dB, amelynek nagyobb része a legtöbb esetben a kezelők nem tökéletes kiképzéséből és a túl nagy megterhelésből adódik. 3.1.4 Rádiólokátorok gyakorlati hatótávolsága

A megadott ideális, maximális hatótávolság (Rmaxid) egy adott impulzusüzemű rádiólokátorra jellemző, mert megadja azt a maximális távolságot, amelynél nagyobb távolságra lévő célok jelei téves detekciót okoznak, tehát felső korlátot szab az adott típusú rádiólokátorok hatótávolságának. - 57 -


A rádiólokátorok technikai jellemzőit, a cél hatásos felületét, valamint az elektromágneses hullámok terjedését és a veszteségeket is figyelembe véve az üzemi (működési) hatótávolság: Pa Ga Av σ H i 4 Rmax (3.28) = ⎛ Pj ⎞ 2 (4π ) kTe B⎜⎜ ⎟⎟ L ⎝ Pz ⎠ n ahol - Pa az impulzus csúcsteljesítménye [W], - Ga az antenna nyereség, - Ah az antenna hatásos felülete [m2], - σ a cél hatásos felülete [m2], ⎛P ⎞ - ⎜⎜ J ⎟⎟ a detektáláshoz szükséges jel-zaj teljesítményviszony n ⎝ PZ ⎠ n impulzus esetén, ⎡ Ws ⎤ - k a Boltzmann-állandó (k = 1,38.10-23 ⎢ o ⎥ ), ⎣ K⎦ - Te a rendszer zajhőmérséklet [°K], - B a zaj sávszélessége [MHz], - Pj a jelteljesítmény [W], - Pz a zajteljesítmény [W], - L a rendszerveszteség [dB]. 3.1.5 Minimális hatótávolság

Az impulzusüzemű rádiólokátorok minimális hatótávolságát elméletileg a moduláló jel impulzus időtartama határozza meg. Ugyanis a pontos szögmérés miatt adásra és vételre egy antennarendszert alkalmaznak, így az adás ideje alatt vétel nem lehetséges. Mivel az adás τa ideig tart, a τa idő által meghatározott távolságon belül vétel nem lehetséges. A τa által meghatározott hatótávolságot a rádiólokátor elméleti minimális hatótávolságának nevezzük (Rmin). cτ Rmin = a (3.29) 2 Az adás ideje alatt (az adás-vétel kapcsoló nem ideális működése miatt) a vevő bemeneti köreit a adás-vétel kapcsolón átjutó teljesítmény telítésbe viszi (a csatoló- és szórt kapacitások feltöltődnek). Ez csak a tranziens jelenség lejátszódásához szükséges idő múlva szűnik meg, és csak ezután lesz ismét vételkész a vevő. Tehát a vevő az adás befejezése után kb. τa idő múlva nyeri vissza eredeti érzékenységét, és csak ezután lesz vételkész. Ezért gyakorlatilag a minimális hatótávolság (Rminr) - 58 -


Rminr = cτa (3.30) Ha biztosítva van, hogy az antenna sugárzásakor fellépő oldalhurkok csillapítása egy meghatározott érték alatt maradjon. Ugyanis a minimális hatótávolságot nagymértékben befolyásolja az antennasugárzási karakterisztikában (függőleges és vízszintes irányban) fellépő oldalszirmok nagysága. Ha nagyok az oldalszirmok, akkor nem lehet megállapítani, hogy a célról visszavert jel a fősziromból, agy a melléksziromból adódott-e. Az oldalszirmok hatása miatt a minimális hatótávolság több kilométer is lehet, függetlenül attól, hogy a kifejezéssel számolt minimális hatótávolság csak néhány száz méterre adódna. A fenti okok miatt a rádiólokátor-antennákra követelmény, hogy az oldalszirmok elnyomása a főszirmokhoz viszonyítva legalább 20 dB legyen. Ezt úgy érik el, hogy az antennák reflektorait a szélek felé kb. 10-12 dB-lel kisebb energiával világítják meg, mint a közepét, vagy külön primersugárzókat alkalmaznak az antenna szélein, melyeket ellenfázisban táplálnak. Rádiólokátoroknál gyakran szükséges ismerni azt a minimális hatótávolságot (Rminϑ) mely a maximális helyszög állásban sugárzási karakterisztikával még mérhető. Ez az alábbi kifejezéssel számítható: Rmin ϑ =

H sin ϑmax

(3.31)

ahol - Rminϑ a maximális helyszög állású sugárnyalábbal mérhető minimális távolság, - H a vízszinteshez viszonyított magasság, - ϑmax a sugárnyaláb maximális helyszöge. 3.1.6 Távolság szerinti felbontóképesség (ΔR ) és mérési pontosság

3.1.6.1

Távolság szerinti felbontóképesség (ΔR )

Távolság szerinti felbontóképességen az ugyanazon irányban lévő két cél közötti azon legkisebb távolságot értjük (3.10. ábra), amelynél a különböző célok jelei az indikátor ernyőjén még külön-külön látszanak. A távolság szerinti felbontóképesség elsősorban az impulzusidő függvénye.

- 59 -


3.10. ábra Távolság szerinti felbontóképesség

Tegyük fel, hogy a rádiólokátor τa ideig sugároz ki elektromágneses hullámokat (3.11. ábra). Az elektromágneses hullámok fénysebességgel terjednek. Mire a τa idejű elektromágneses hullám vége elhagyja az antennát, a hullámcsomag eleje c ⋅ τa távolságra van az antennától. Amikor a hullámcsomag eleje elérte az első célt, akkor annak egy része a célról visszaverődik, míg a többi része a cél mellett tovább halad. A második cél elérésekor ugyanez a jelenség megy végbe. A két cél jele akkor különböztethető meg egymástól, ha a két cél közötti távolság legalább akkora, hogy az első célról a reflexió éppen megszűnik, amikor a második célról a reflexió megkezdődik. Ez csak cτ akkor lehetséges, ha a két cél közötti távolság (δR) nagyobb a távolságnál, 2 akkor a kifejezés mindig fennáll: cτ δR ≥ a (3.32) 2

3.11. ábra Az impulzus idő és a távolsági felbontóképesség

Mint látható, a távolság szerinti felbontóképesség annál jobb, minél kisebb az impulzusidő. Ebbő1 adódik, hogy csak viszonylag kis hatótávolságú rádiólokátornak lehet igen jó távolság szerinti felbontóképessége. - 60 -


A képlet arra az ideális esetre vonatkozik, amikor fennáll, hogy a rádiólokátor adója által kisugárzott nagyfrekvenciás jel alakja ideális négyszög, továbbá, hogy a vevő és az indikátor a jel alakját nem torzítja. Az ideális felbontóképesség a gyakorlatban sohasem realizálható, mivel a vevő és az indikátor a vett jeleket mindig torzítja. Ha az állomás távolság szerinti felbontóképességének romlását (mely az impulzusnak az adó- és vevőcsatornán való áthaladása miatti torzulásából adódik) K1 tényezővel jelöljük, akkor a felbontóképesség: cτ (3.33) ΔR1 = K 1 a 2 A távolság szerinti felbontóképességet nagymértékben befolyásolja az indikátor felbontóképessége is, amelyet a kitérítés nagysága, valamint a képernyőn a megvilágított terület minimális átmérője határoz meg. Nagyságrendileg elfogadható az alábbi meghatározás: minél nagyobb a kitérítés mértéke és minél jobb az elektronsugárcső fókuszálásának beállítása, annál jobb az indikátor felbontóképessége. Ha az elektronsugárcső elektronsugarának kitérését egységnyinek veszszük, és a kitérésnek megfelelő céltávolságot (méretarány szerint) r-rel, a képernyő megvilágított területének átmérőjét pedig d-vel jelöljük, akkor a távolságtól függő felbontóképesség-romlás: rd ΔR2 = K 2 (3.34) l ahol l az elektronsugár kitérítésének hossza, K2 együttható pedig az indikátor ernyőjén a szomszédos impulzusok ábrázolása között lévő azon minimális távolságnak a figyelembevételét jelenti, melynél azok külön-külön való megfigyelése még lehetséges. Az eddig elmondottakat összegezve a rádiólokátor állomás távolság szerinti felbontóképessége: cτ rd (3.35) ΔRr =ΔR1 +ΔR2 = K 1 a + K 2 2 l Kl =1,3, K2 = 1,35 nagyságrendű szokott lenni. 3.1.6.2

Távolság szerinti mérési pontosság

A távolság szerinti mérési pontosság megadja, hogy a rádiólokátorral mért távolsági adat mennyire egyezik meg a valóságos céltávolsággal. A rádiólokátor a cél távolságát elvileg tetszés szerinti pontossággal mérhetné. A gyakorlatilag realizálható rádiólokátorokkal azonban csak meghatározott pontosságú mérés érhető el. A távolság szerinti mérési pontosságot a következő tényezők befolyásolják: az adójel felfutási meredeksége, a vevő torzítása, az indikátor típusa (az idővonal hosszán keresztül), a vett jelek késleltetése a rendszerben az adójelhez viszonyítva, a kezelőszemélyzet leolvasási hibája.

- 61 -


Az adójel felfutási meredekségét alapvetően az adóoszcillátorként alkalmazott aktív áramköri elem berezgési ideje és az oszcillátor jelét moduláló impulzus felfutási meredeksége határozza meg. Ezen kívül befolyásolja az antenna- és tápvonalrendszer is, mely az adójel felfutási meredekségét csökkenti. A célról reflektált jelek a vevőn keresztül jutnak az indikátorra. A vett jelek a vevőn való áthaladás közben a megfelelő erősítés és átalakítás mellett torzulnak is, főleg a vevő nem megfelelő sávszélessége, illetve a sávelhangolódás miatt. A vevő sávját elsősorban a vevő KF erősítő fokozatának sávszélessége határozza meg. Ezért az előírás a vevő KF fokozatának sávszélességére: 1 (3.36) BKF ≥

τa

A sávelhangolódás megakadályozására pedig automatikus frekvenciaszabályozó áramkört alkalmaznak. A célról reflektált jelek a vevőből az indikátorba jutnak. Ezért a távolság szerinti mérési pontosság nagymértékben függ az indikátor típusától, ezen belül pedig az indikátor lehangolásának pontosságától, amely a távolsági léptékjel hitelesítéséből és az idővonal fényerejének beállításából áll. A ferdetávolságot mindig a reflektált impulzus homlokánál olvassuk le, illetve az indikátor ernyőjén a céljel kezdeténél. A céljel elejének tekintjük a céljelnek az idővonal indulási helyéhez legközelebb eső részét. A ferdetávolság leolvasási pontossága a céljel homlokmeredekségétől és a zajszinttől függ. Minél a céljel homlokmeredeksége és minél kisebb a zajszint, annál kisebb a ferdetávolság leolvasási hibája. A céljel felfutási meredeksége mindig kisebb az impulzus szélességénél, ezért a ferdetávolság leolvasási hibája mindig kisebb a távolság szerinti felbontóképességénél. A rendszer késleltetési idejének nevezzük azt az időt, amíg a jelek a rendszeren áthaladnak. A gyakorlatban realizálható rendszerek késleltetési idejéből adódó hiba az egyéb tényezők által okozott hibához viszonyítva elhanyagolható, de nem zérus. 3.1.7 Rádiólokátorok szög szerinti felbontóképessége (Δβ,Δϑ) és mérési pontossága

3.1.7.1

Rádiólokátorok szög szerinti felbontóképessége (Δβ,Δϑ)

A rádiólokátorok adott irány szerinti (oldalszög, vagy helyszög) elméleti felbontóképessége a sugárnyaláb nyílásszögétől függ. Az irány szerinti felbontóképesség definíciójából következik, hogy beszélhetünk külön (Δβ) oldalszög és külön (Δϑ) helyszög szerinti felbontóké- 62 -


pességről. Mindkét irányban a felbontóképességre ugyanazok a megállapítások érvényesek. A felbontóképesség mindkét irányban függ a sugárnyaláb nyílásszögétől és az indikátor ernyőjén a megvilágított terület nagyságától. Első közelítésben csak a sugárnyaláb nyílásszögét vegyük figyelembe, és tekintsünk el az indikátor okozta korlátozó hatástól. Ekkor a 3.12. ábra szerinti két célról reflektált jel még külön látható, ha a két cél által bezárt szög nagyobb, mint a sugárnyaláb nyílásszöge, határesetben pedig a két szög egyenlő. Vagyis: Δβ i ≥α (3.37)

3.12. ábra Szög szerinti felbontóképesség értelmezés

Határesetben α =Δβ (3.13. ábra). Amíg a két sugárnyaláb fedi egymást, addig a sugárnyalábokban levő célok az indikátoron egyetlen célként látszanak.

3.13. ábra A szög szerinti felbontóképesség határesete

Az indikátor hatását is figyelembe véve, határesetben az oldalszög szerinti felbontóképesség: d Δβ = +α (rad ) (3.38) r ahol - d a megvilágított indikátorfelület átmérője, - r az ernyő középpontja és a megvilágított felület középpontja közötti távolság m-ben, - α a sugárnyaláb nyílásszöge radiánban.

- 63 -


A 3.14.c. ábrán látható, hogy P típusú indikáció esetén az indikátorernyő középpontjához közelebb lévő megvilágított felület befolyása a szögszerinti felbontóképességre nagyobb lesz, mint a középponttól távolabb levőé, mivel a megvilágított felületekhez húzott érintők közötti szög nagyobb, vagyis Δβ2 > Δβ1. Ez az indikátorhatás csökkenthető, ha az indikátor távolsági idővonalát később indítják, mint az adót. Ez esetben a távolsági léptékjel kezdete a középponttól sugárirányban eltolódik az indikátor ernyőjének széle felé. Ekkor a megvilágított felület átmérője kevésbé befolyásolja a szög szerinti felbontóképességet.

3.14. ábra A szög szerint felbontóképesség változása

a.) a felbontóképesség változása a célok térbeli helyzetétől függően, b.) a célok ábrázolása körkörös indikátoron, c.) az indikátor ernyőjén megjelenő céljel átmérőjének hatása a szög szerinti felbontóképességre. A fentiek szerint a szög szerinti felbontóképesség függ a sugárnyaláb nyílásszögétől, amely viszont a hullámhossz függvénye. Annak a rádiólokátornak jó a szög szerinti felbontóképessége, amelynek üzemi hullámhossza és amelynél - fényerőmoduláció esetén - a jel átmérője kicsi, amplitúdómoduláció esetén pedig a vett impulzusok fel- és lefutó éle meredek. A rádiólokátor-állomás szögtől és távolságtól függő felbontóképességének egyidejű jellemzésére az impulzusterjedelem (3.15. ábra) fogalmát vezették be. Impulzusterjedelem a légtérnek az a része, amelyen belül levő egyes célok az indikátoron egybeolvadva jelennek meg.

- 64 -


3.15. ábra Az impulzusterjedelem

Az impulzusterjedelem méretét a sugárzási karakterisztika félteljesítcτ ményű pontjai közötti sugárnyaláb-szélesség, valamint a d = a hossz hatá2 rozzák meg (4.15. ábra). Minél keskenyebb a sugárnyaláb szélessége és minél kisebb az impulzusidő, annál kisebb az impulzusterjedelem, és annál jobb az állomás felbontóképessége. 3.1.7.2

Rádiólokátorok szög szerinti mérési pontossága

Az oldalszög mérési pontosságának elméleti határát az antenna szögsebessége és az fi impulzus ismétlődési frekvencia által meghatározott szög fele adja. Legyen pl. az antenna forgási sebessége 6 fordulat/perc. Ekkor az antenna egy teljes körülfordulási ideje 10 s, és a szögsebesség 36°/s. Ha fi=400 Hz impulzus ismétlődési frekvenciát feltételezünk, akkor az impulzusok közötti szög 36°/400 = 0,09°, ami Δβh = 0,045° mérési pontosságot tesz lehetővé. Ez a hiba felderítő rádiólokátorok esetén elhanyagolható, de tűzvezető rádiólokátorok esetén nem engedhető meg. Már felderítő rádiólokátorok esetén is pontatlanná válik a szögmérés, ha 6 ford/perc antennafordulat esetén fi = 200 Hz-re csökken. A mozgó céltárgyak és az álló céltárgyak jeleinek megkülönböztetése végett szükséges, hogy egy letapogatási ciklus alatt egy céltárgyról legalább 11 visszavert jel érkezzen. Ha a sugárnyaláb nyílásszöge α = l°, a szögsebesség 36°/s akkor fi = 400 Hz lenne az alsó határ, amely a fenti szempontoknak még megfelel. A nagyobb hatótávolság fi csökkentését és a szögsebesség növelését kívánná. Mint látható, fi csökkenésével a szög mérési pontossága is nagymértékben csökken. A szögsebesség sem növelhető, a nagyméretű antennageometria miatt. A szögkoordináták mérési pontosságát nagymértékben befolyásolják meghatározásuk módjai. Bizonyítás nélkül közöljük csupán, hogy egy térbeli céltárgy szögkoordinátáit legpontosabban a térbeli monopulse rendszer határozza meg.

- 65 -


3.1.8 A légtér letapogatási sebessége

A tervezők mindig arra törekszenek, hogy megnöveljék a rádiólokátor hatótávolságát. Ezt viszont két tényező korlátozza: a fény véges terjedési sebessége és az összes információknak (a célokról reflektált jeleknek) egy csatornán való továbbítása. Ugyanis elegendő időt kell biztosítanunk a két adóimpulzus között, hogy a kisugárzott elektromágneses hullámok a legtávolabbi céltárgyig és on2R idő szükséges, illetve kmnan visszajussanak. R távolság megtételéhez t = c enként 6,66 μs. Például, ha a rádiólokátor fi = 400 Hz impulzusfrekvenciával dolgozik, akkor az impulzusok 2500 μs időközökben követik egymást, ennek 2500/6,66 = 375 km elméleti hatótávolság felel meg. Látható, hogy adott távolság esetén a fény terjedési sebessége szabja meg a legnagyobb alkalmazható impulzus ismétlődési frekvenciát. Előfordulhat, hogy a fenti esetben egy igen nagy hatásos felületű célról pl. 450 km-ről is kapunk jó visszaverődést, amely az adás után 450 ⋅ 6,66 = 3000 μs-os késéssel érkezik be, vagyis a következő impulzus adása után 500 μs -mal. Ez a jel az indikátoron az 500/6,66 = 75 km távolság helyén jelenik meg, tehát megtévesztheti a kezelőt. Ezért ezt téves detekciónak nevezzük. Az így adódó téves detekció megszüntethető, ha az impulzus ismétlődési frekvenciát felére csökkentjük, vagy ha az impulzusokat egymástól kissé eltérővé tesszük. Az első esetben a távoli céltárgyról érkezett jel az indikátoron távolság szerint helyesen jelenik meg. A második esetben pedig a méréshatáron belüli célok jelei az indikátoron a helyükön maradnak, míg a távoli céltárgyról eredő jel kissé eltolva látható. Ennek oka, hogy az idővonalat az adóimpulzus indítja. Ha a szabálytalanul bejövő impulzusokat (téves detekciót) az impulzusfrekvencia csökkentésével szüntetjük meg, akkor az antenna fordulatát is csökkentenünk kell ahhoz, hogy egy letapogatási ciklus alatt azonos számú visszaverődést kapjunk. Ez viszont azt jelenti, hogy ritkábban kapunk adatokat a célról, vagyis csökken az információ sebessége. Ez, különösen nagysebességű célok (rakéták) esetén, nem mindig engedhető meg. Mint látható, az antenna forgási sebessége sem választható meg szabadon. Vizsgáljuk meg, hogy körletapogatás esetén milyen tényezők korlátozzák az antenna forgási sebességét. Tegyük fel, hogy a rádiólokátor impulzus ismétlődési frekvenciája fi = 500 Hz, és az antenna sugárnyaláb-nyílásszöge oldalszög szerint l°. Ha az antennát másodpercenként több mint 500°-kal forgatnánk el, akkor letapogatáskor üres helyek maradnának, melyeket az antenna nem világítana meg.

- 66 -


Ezért a teljes körbeforgatáshoz szükséges elméleti legrövidebb idő 360/500 = 0,72 s, vagyis 1,4 ford/s. Ebben az esetben minden céltárgyról csak egyetlen impulzus jutna a vevőre. A forgási sebességnek az is határt szab, hogy a legtávolabbról visszaérkező jelet az antenna jól tudja venni, tehát a sugárnyaláb ne forduljon el az adás és vétel közötti időben többet, mint amennyi a sugárnyaláb nyílásszögének fele. Ez a fent számolt legkisebb letapogatási időt kétszeresére növelné, azonban egyéb korlátozó körülmények - pl. a vett jel nagysága függ az integrálandó impulzusok számától is - miatt ilyen gyors letapogatás nem alkalmazható. Ha csökkentjük az antenna szögsebességét, akkor az integrálandó impulzusok száma növelhető. Ha a visszareflektált impulzusok száma n, az impulzus ismétlődési frekvenciája fi, az antenna sugárnyalábjának nyílásszöge α és az antenna szögsebessége Ω, akkor n az alábbi összefüggéssel határozatható meg: fα (4.39) n= i Ω ugyanis α/Ω az az idő másodpercekben, amíg a sugárnyaláb a céltárgyat megvilágítja. Ha ezt megszorozzuk a másodpercenként kiadott impulzusok számával, akkor megkapjuk a céltárgyra jutó impulzusok számát. Ha pl. a célról 10 visszaverődést kívánunk kapni, akkor az antennát a fenti számításnál 10-szer lassabban kell forgatnunk, ami 0,14 ford/s-nak, vagyis 9 ford/percnek felel meg. Az említett korlátozások még erősebben hatnak az olyan esetekben, amikor a rádiólokátor a tér három irányában végez letapogatást. A fény terjedési sebességén kívül - amely fizikai állandó - a másik korlátozó körülmény az volt, hogy a teljes információt egyetlen csatornán kellett átvinnünk. A folyamatot csak több csatorna alkalmazásával lehetne meggyorsítani. Ténylegesen használnak ilyen módszereket - pl. több rádiólokátor egyidejű működtetésével - akár úgy, hogy mindegyik csak a tér egy részét tapogatja le, akár úgy, hogy az oldal és a magasság letapogatására külön rádiólokátort alkalmaznak. A letapogatási sebesség, az információ sebességének megváltoztatásán keresztül, a vevő sávszélességét is befolyásolja. Vizsgáljuk meg ezt kissé részletesebben. A rádiólokátorok általában térbeli letapogatást végeznek. A letapogató térelemet, vagyis az impulzuscsomagot a sugárnyaláb testszöge és az impulzusköteg hossza határozza meg. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy az impulzusok közötti teljes időt felhasználhatjuk. Az információsebesség, vagyis a másodpercenként letapogatható térelemek száma - feltéve, hogy a vevő sávszélessége helyesen van megválasztva - az impulzusidő reciprok értéke, vagyis 1/τa, amit még el kell osztanunk a szükséges térelemenkénti visszaverődések számával, n-nel,

- 67 -


tehát 1/τa/n. Ez teljesen független attól, hogy a letapogatás hogyan oszlik meg a távolsági és szögkoordináták között. Ugyanezt az eredményt kapjuk, ha a teret impulzuskötegekből álló térelemekre bontjuk. Legyen a letapogatandó tér testszöge Ω, a sugárnyaláb testszöge ω, a teljes letapogatás ideje T. Minthogy a térelem radiális hossza

cτ a , 2

a letapogatás ideje a következőképpen fejezhető ki: Ωn n⋅2 R = (4.40) T= ω fi ωc Ugyanis Ω/ω a testszögelemek számának n-nel való szorzata a teljes letapogatáshoz szükséges összes impulzusok száma.

1 2R = , ahol R a legnafi c

gyobb távolság. A testszögek, valamint a hatótávolság és a térelemhossz viszonyából felírható a térelemek száma: Ω 2R (4.41) N= ω cτ a Ezzel a másodpercenkénti letapogatható térelemek száma: N Ω 2R 1 1 = ⋅ ⋅ = (4.42) T ω cτ a T n ⋅ τ a 1 A vevő sávszélessége B= -nak vehető, ezért a soronként átvihető in-

τa

formációk száma nagyságrendre megegyezik a vevő sávszélességével (ami egyébként a hírközlés elméletéből általánosan ismert tétel). 3.1.9 Rádiólokátorok zavarvédettsége

A rádiólokátorok fejlesztésével, alkalmazási területének szélesítésével párhuzamosan tervezték, fejlesztették és fejlesztik a megsemmisítésükre és lefogásukra alkalmas eszközöket és módszereket is. A rádiólokátorok fizikai megsemmisítése mellett alapvető módszerként azok zavarása terjedt el. A zavarás fő feladata, hogy megnehezítse vagy lehetetlenné tegye a célok felderítését és bemérését, tehát a feladat végrehajtását. Beszélhetünk aktív és passzív zavarásról. Az előbbit zavaró adókkal, az utóbbit pedig reflektáló tárgyakkal valósítják meg. Az aktív zavarással - a zavaró adóknál a különböző modulációs mód alkalmazhatósága miatt - különösen nagy hatékonyság érhető el. Az adott rádiólokátor értékét, alkalmazhatóságát alapvetően meghatározza, hogy a feladatát milyen mértékben képes végrehajtani zavarás közben, vagyis milyen mértékben tudja a különböző zavarokat kiszűrni, egyszóval milyen a zavarvédettsége. - 68 -


A zavarvédettség szorosan összefügg a hullámhosszal, az antenna sugárnyalábjának nyílásszögével, az adó teljesítményével, a vevő érzékenységével és a berendezések telepítési helyével, valamint az indikációs móddal.

3.2 RÁDIÓLOKÁTOROK TECHNIKAI JELLEMZŐI

3.2.1 Az adó teljesítménye (Pa)

A rádiólokátorok hatótávolsága legnagyobb mértékben az adóteljesítménytől függ. Ezért az adó teljesítményének nagyságát a rádiólokátor hatótávolságával szemben támasztott követelmény alapján határozzák meg, figyelembe véve annak technikai realizálhatóságát. Technikai realizálhatóság szempontjából az adóteljesítmény nagyságát elsősorban az adóoszcillátorként alkalmazott aktív áramköri elem (amely lehet magnetron, reflexklisztron, mikrohullámú trióda stb.) paraméterei határozzák meg. Azt, hogy melyik aktív áramköri elemet alkalmazzuk adóoszcillátorként, az oszcillátorral előállítandó jel teljesítménye, frekvenciája és az alkalmazni kívánt modulációs mód határozza meg. Az FM rendszerű rádiólokátorok adóteljesítménye mindig kisebb, mint az impulzusüzemű rádiólokátoroké. Ennek legfőbb oka, hogy FM rendszerű rádiólokátorok esetén a nagy távolság pontos méréséhez nagy frekvenciaátfogású, nagyteljesítményű adóoszcillátorokra lenne szükség, ami a technika jelenlegi állása mellett nem realizálható. Ugyanakkor a magnetron oszcillátorokkal impulzus amplitúdó-moduláció esetén igen nagy (több MW) teljesítmény állítható elő. Az adó teljesítményének megválasztása az adó frekvenciájától is függ, egyrészt azért, mert befolyásolja az adóoszcillátorként alkalmazható aktív áramköri elem kiválasztását, másrészt pedig azért, mert ha az adó frekvenciája nagyobb lesz, növekszik a kisugárzott teljesítmény irányíthatósága, ennek következtében pedig a hatótávolság is. Ugyanakkor viszont figyelembe kell vennünk, hogy nagyobb adófrekvencia alkalmazásakor a légkör csillapító hatása jobban érvényesül, ami csökkenti a hatótávolságot. Az adóteljesítmény nagysága függ a moduláló jel paramétereitől is. Pl. ha impulzusüzemű rádiólokátorok esetén csökkentjük az impulzus időtartamát (τa), akkor az aktív áramkörről levehető teljesítmény nagysága növelhető, mert az átlagteljesítmény változatlan marad feltéve, hogy a moduláló jel frekvenciája, az impulzus ismétlődési frekvencia (fi) nem változik. Ezért az impulzusüzemű rádiólokátorok jellemzésére az impulzusteljesítményt (Pi), vagyis a τa impulzusidő alatt kisugárzott átlagteljesítményt adják meg, az átlag - 69 -

Rádiólokátorok technikai jellemzői

nélkül. Az impulzusteljesítmény ismeretében és Pi = Pa jelöléssel az átlagteljesítmény: P‡tl = Pa τ a f i = Pa

τa Ti

=kPa

(4.43)

ahol

- τa az impulzus időtartama, - fi az impulzus ismétlődési frekvenciája, - Ti a moduláló jel periódusideje, - k a kitöltési tényező, - Pa az adó teljesítménye. A k értéke mindig kisebb, mint 0,5, ezért impulzusüzemű rádiólokátorok esetén Pa >> Pátl. A m-es hullámhosszú rádiólokátoroknál k értéke mindig nagyobb, mint a cm-es hullámhosszúaké. Ezért ha az átlagteljesítmény azonos, a méteres hullámhosszon működő rádiólokátorok adóteljesítménye kisebb. Viszont τa növelésével Pátl, így tehát a maximális hatótávolság is növekszik. Ebből adódik, hogy a m-es hullámhosszon működő rádiólokátorok általában kisebb adóteljesítménnyel ugyanolyan távolságról képesek felderíteni a célokat, mint azok, amelyek cm-es hullámhosszon működnek.

3.2.2 Az adó frekvenciája (fa)

A rádiólokátorok adófrekvenciáinak megválasztása alapvetően meghatározza alkalmazási lehetőségüket, az alábbiak miatt: - Nagy szög szerinti mérési pontosság csak nagy adófrekvenciával biztosítható, mivel akkor már realizálhatók olyan antennák, melyekre érvényesek az optikai törvények (tekintve, hogy az alkalmazott hullámhossz többszörösére méretezett antennák még kivitelezhetők). - Az adó frekvenciájának növelésével csökken az antenna geometriai mérete - ezzel növekszik a rádiólokátor mozgékonysága. - Az adó frekvenciájának növelésével csökkenthető az impulzus időtartam (τa), ami viszont növeli a felbontóképességet és a mérési pontosságot. - Az adófrekvencia növekedésével jobban érvényesül a refrakció jelensége, melynek következtében az iránykarakterisztika elhajlik a föld felé (ez a kis magasságon lévő célok mérésekor igen lényegesen növeli a hatótávolságot). A hosszabb (dm és m) hullámhosszon működő rádiólokátorok előnye, hogy a légkör csillapítása kevésbé érvényesül, és előállításuk kevésbé költséges, mint a rövidebb (cm) hullámhosszon működőké, de az elmondottak alap-

- 70 -


ján belátható, hogy az előbbiek mérési pontossága és felbontóképessége sokkal rosszabb. Emiatt csak olyan feladatok megoldására alkalmazhatók, ahol az említett paraméterek nem kritikusak. A m-es és dm-es hullámhosszú rádiólokátorok csak felderítésre használhatók, tűzvezetésre a cm-es és mm-es hullámhosszú rádiólokátorokat alkalmazzák. Az adófrekvencia nagysága - az impulzusidőn keresztül - a vevő sávszélességét, s ezáltal a vevő zajtényezőjét is befolyásolja. 3.2.3 Az antenna sugárzási karakterisztikája (G,β,ϑ) (teljesítményirányjelleggörbe)

3.16. ábra Az antenna iránykarakterisztikája

a.) karakterisztika nyílásszögének értelmezése, b.) H és E sík értelmezése a sugárzási karakterisztikában. A rádiólokátorok mindig az antenna által irányítottan kisugárzott elektromágneses energianyalábbal mérik a céltárgy irányát. Ezért nagyon fontos, hogy ismerjük az antenna sugárzási karakterisztikáját és a karakterisztikát módosító tényezők hatását. Az iránykarakterisztikák ábrázolása két fő síkban szokásos: az E elektromos és a H mágneses vektor által meghatározott síkokban (3.16. ábra). Mindkét síkot rendszerint derékszögű koordinátarendszerben adják meg. Az 3.16. ábrán látható példán a sugárnyaláb nyílásszögének értelmezését is bemutatjuk.

- 71 -


3.17. ábra Sugárzási formák

a.) b.) c.) d.)

tűnyaláb, legyezőnyaláb (m-es hullámhossz esetén), legyezőnyaláb (cm-es hullámhossz esetén), levegő-föld viszonylatú rádiólokátor sugárnyalábja (legyezőnya-

láb). A sugárzási karakterisztikák térbeli alakja a rádiólokátorral szemben támasztott követelményektől függően különböző lehet. A leggyakrabban alkalmazott sugárzási formákat a 3.17. ábra szemlélteti. Tűnyaláb esetén (3.17.a. ábra) a teljesítmény egy kis nyílásszögű kúpon belül koncentrálódik. A feltűntetett kis mellékhurkok azt mutatják, hogy a főirányon kívül is van kisugárzás. Ilyen a tűzvezető rádiólokátorok sugárzási formája. A legyezőnyaláb (3.17.b. ábra) vízszintes síkban keskeny, de függőleges síkban széthúzott. Ez a felderítő rádiólokátorok nyalábformája. A magasságmérő rádiólokátorok nyalábformája is hasonló, de az vízszintes síkban van legyezőszerűen széthúzva, és függőleges síkban keskeny. A vízszintes síkban keskeny, függőleges síkban széthúzott sugárnyaláb látható a 3.17.c. ábrán. Ugyancsak felderítő rádiólokátorok esetén alkalmazzák. Az ilyen sugárzási formájú rádiólokátorok meghatározott magasságig képesek figyelni a célokat. A 3.17.d. ábrán feltüntetett nyaláb hasonló az előzőhöz, de a sugárzás intenzitása függőleges síkban különlegesen van kialakítva. Ilyen sugárzási formája a repülőgépek fedélzeti rádiólokátorainak van, ahol biztosítani kell, hogy a földfelület visszaverődésének intenzitása a távolságtól független legyen. Mint látható, különböző feladatok megoldásához különböző formájú sugárnyalábok szükségesek. A sugárzási formák kialakítási módját mindenekelőtt az alkalmazott antennarendszer, ezen belül pedig az antenna hatásos felülete határozza meg.

- 72 -


A m-es és dm-es hullámhosszú rádiólokátorokhoz reflektorokkal és direktorokkal ellátott, λ/2 hullámhosszú dipól antennákat, míg a cm-es és ennél kisebb hullámhosszúakhoz forgás paraboloid reflektorokkal ellátott félhullámú dipólt, tölcsérsugárzót, egyes esetekben réssugárzót alkalmaznak. Az antenna sugárzásirányító képességét az antennanyereség (Ga) jellemzi. Ezen az antenna fősugárzásának irányában a felületegységen áthaladó antenna-teljesítménynek (Smax) és ugyanezt a teljesítményt izotróp (a tér minden irányában egyenletesen sugárzó) antennán kisugározva, a felületegységen áthaladó teljesítménynek (S0) viszonyát értjük, vagyis: S (3.44) Ga = max S0 Ez a megállapítás akkor érvényes, ha mindkét értéket az antennától elég nagy távolságra, és ugyanazon pontban mérjük. Az előbbiek miatt az antenna teljesítmény-iránykarakterisztikáját (teljesítmény-irányjelleggörbéjét) maga az antennanyereség adja, az irány függvényében. Polárkoordináták esetén a Ga (β,ϑ) teljesítmény-irányjelleggörbe úgy kapható meg, ha a tér különböző irányaiban, az antennától ugyanolyan távolságokban megmérjük vagy kiszámoljuk) a teljesítménysűrűséget. Ezeknek az értékeknek a főirányban mért értékhez való viszonya, térbeli polárdiagramon feltüntetve, adja a térbeli iránykarakterisztikát (irány-jelleggörbét). Az antenna hatásos felülete az antennarendszer megoldásától függetlenül közvetlen kapcsolatban van a hullámhosszal, az antennanyereséggel és a sugárnyaláb nyílásszögével. Használjuk az antennát vevőantennaként, és az általa felvett teljesítményt jelöljük Pv-vel. Az antenna hatásos felülete: P (3.45) Ah = V S1 ahol Sl a vevőantenna helyén a felületegységre jutó teljesítmény. Az antennanyereség, a hatásos felület és a hullámhossz közötti kapcsolatot a G a 4π (3.46) = Ah λ2 összefüggés adja. A kifejezés Ga-ra való rendezése után: A G a = 4π 2h (3.47)

λ

Ah növelése vagy λ csökkentése növeli a Ga nyereséget. Ugyancsak bizonyítható, hogy a sugárzási karakterisztika nyílásszöge: Θ 0 dB ≈

λ

(3.48) d ahol d a kör alakú apertúra átmérője. A Θ számítására szolgáló képlet mutatja, hogy a hullámhossz csökkentésével vagy az antenna geometriai méretének növelésével csökkenthető a sugárzási karakterisztika nyílásszöge. - 73 -


A fentiek alapján belátható, hogy nagy antennanyereség és nagy irányélesség akkor biztosítható, ha az antenna hatásos felülete nagy, és az alkalmazott hullámhossz kicsi. Az antennák sugárzási karakterisztikáin a főhurok mellett mellékhurkok is megjelennek. Ezek nagyon károsak, mert megnehezítik a közeli célok jeleinek leolvasását az indikátoron. Ezért minden esetben gondoskodnunk kell a mellékhurkok elnyomásáról. Az antenna által létrehozott sugárzási karakterisztikát a légtérben több tényező befolyásolja. Ezek közül legjelentősebb a talaj módosító hatása. A sugárzási karakterisztikát a talaj oly nagy mértékben módosíthatja, hogy egyes emelkedési szögeknél a rádiólokátor hatótávolsága a felére csökken, másoknál viszont a kétszeresére nő. Ezért ezzel a kérdéssel kissé részletesebben foglalkozunk. Céltárgy Közvetlen sugárzás

Közvetlen sugárzás A

Közvetett sugárzás

ϑ ϑ ϑ

h1

Közvetett sugárzás

ϑ

ϑ

h1

ϑ

ϑ B

C

d A’ 3.18. ábra A reflexió hatása az antenna iránykarakterisztikájára

Legyen a 3.18. ábra szerint az antenna a (síknak feltételezett) földfelszíntől h1 magasságban, és vizsgáljuk a sugárzást a vízszintessel kis szöget

- 74 -


bezáró irányban. A céltárgyhoz nemcsak közvetlen sugárzás, hanem a föld felszíne által visszavert sugárzás is érkezik. A visszaverődés hatását egyszerű módon úgy vehetjük figyelembe, hogy az antenna (A) alatt h1 mélységben annak tükörképét (A') is felrajzoljuk. A B pontban visszaverődő sugár fázisában 180o-os fázisugrás következik be (vízszintesen polarizált hullámokat feltételezve). Ha a céltárgy távolsága a h1 magassághoz képest nagy (a gyakorlatban ez mindig biztosítva van), akkor jó közelítéssel a közvetlen sugár és a visszavert sugár párhuzamosnak tekinthető, vagyis az A-tól a céltárgyig, valamint a C-től a céltárgyig menő sugarak egyenlő utat tesznek meg. Mivel feltételezzük, hogy a visszavert hullám az A'-ből indul, így a közvetlen sugár és a visszavert sugár között (a fáziskülönbségen kívül) útkülönbség is fellép. Az ábrán feltüntetett d hosszúság éppen ez az útkülönbség. Ha útkülönbség nem lenne, akkor a 180o-os fázisfordulás miatt a hullámok a céltárgynál egymásból kivonódnának. Ha azonban a d útkülönbség éppen d =

n⋅λ (ahol n páratlan egész szám), akkor a két hullám ampli2

túdója összeadódik, vagyis a térerősség kétszeres lesz. A 3.18. ábráról látható, hogy: d (3.49) d = 2h1 sinϑ , és sin ϑ = 2h1 n⋅λ útkülönbség adja, ebből: Az erősítés feltételét a d = 2 nλ [rad ] (3.50) sin ϑ = 4h1 Kis szög esetén sin ϑ = ϑ [rad], így: nλ [rad ] ϑ≈ (3.51) 4h1 λ 3λ λ 3λ A d= , stb. útkülönbségek esetén, vagyis ϑ = , szögeknél a 4h1 4h1 2 2 sugárnyaláb maximumait kapjuk, mivel a térerősség kétszeresére nő. A tér olyan pontjain, ahol a különböző úton érkező sugarak nem azonos fázisúak, a terek vektoriális összegeként a térerősség lényegesen kisebb lesz. A fentiek szerint a tér különböző pontjain, a vízszinteshez viszonyított különböző magassági szögeknél maximális és minimális térerősségű helyek jönnek létre (3.19. ábra). Vagyis az eredeti karakterisztika jó vételi helyekre és holtzónákra hasad fel. A hullámhossz minden páratlan egész számú értékénél maximumot, és minden páros egész számú értékénél minimumot kapunk.

- 75 -


3.19. ábra A fedési diagram

A maximumok és minimumok szögértéke – mint az a képletből látható – függ az antenna magasságától és a hullámhossztól. Erre vonatkozó példát a 3.20. ábrán láthatunk. (A szögek ábrázolása – az áttekinthetőség végett – nem arányos.) Az antenna magasságának növelésével a sugárnyaláb jobban a földhöz simul, és a szirmok száma növekszik. A hullámhossz csökkentése azonos hatású az antenna felemelésével. Az alacsonyan repülő célok felderítéséhez tehát vagy magas antenna, vagy igen rövid hullámok szükségesek. A rövidhullámok alkalmazása azért is előnyös, mert a szirmok sűrűsége miatt a rádiólokátor a célt csak igen rövid időre veszti el. Meg kell jegyeznünk, hogy a d, sinϑ és ϑ értékének számítására vonatkozó képletek csak abban az esetben érvényesek, ha a hullám vízszintesen polarizált. Függőleges polarizáció esetén a maximum- és a minimumhelyek felcserélődnek. Ennek oka az, hogy függőleges polarizációnál nem következik be 180o-os fázisugrás. A fenti egyszerűsített képletek csak 6°-nál kisebb beesési szög esetén érvényesek. Ennél nagyobb beesési szög esetén a hatás sokkal bonyolultabb. Általános következtetésként megállapíthatjuk, hogy alacsonyan repülő célok felderítésére célszerűbb a rövidebb hullámhosszú és vízszintesen polarizált hullámokat sugárzó rádiólokátorok alkalmazása. Mivel az antenna sugárzási karakterisztikája a föld módosító hatása miatt függőleges irányban felhasad, nagyon fontos tudnunk, hogy különböző emelkedési szögek esetén mekkora a hatótávolság. Ennek ismeretéhez olyan sugárzási karakterisztika szükséges, melyen a hatótávolságot tüntetjük fel az emelkedési szög, illetve a magasság függvényében. Ezt a sugárzási karakterisztikát fedési diagramnak nevezzük. A fedési diagram megadja azon pontok mértani helyét, ahol a térerősség állandó. A térerősség közvetlenül a feszültség irány-jelleggörbével (F/β,ϑ) van kapcsolatban, mely a teljesítmény irányjelleggörbének (amely az antennanyereség (G/β,ϑ) irány-jelleggörbéjével azonos) négyzetgyökével arányos. - 76 -


3.21. ábra Fedési diagramok azonos hullámhossz és különböző antenna magasságok esetén

A függőleges sugárzási karakterisztika, a D távolság és a föld módosító hatásának ismeretében a térerősség:

- 77 -


k1 k F (ϑ ) = 1 G (ϑ ) (3.52) D D ahol kl állandó. Figyelembe véve a kétutas terjedést, valamint az egy antenna alkalmazását adásra és vételre, a vevő által vett jelfeszültség: k k U vevő = 22 F 2 (ϑ ) = 22 G (ϑ ) (3.53) D D A képletből látható, hogy F2(ϑ) arányos a különböző emelkedési szögeknél vett jelfeszültséggel, természetesen azonos céltárgy és állandó távolságok mellett. A képlet D-re megoldva és Uvevő helyében Umin értéket helyettesítve a fedési diagramot kapjuk: k2 D= F (ϑ ) (3.54) U min ahol Umin az a legkisebb jelfeszültség, amely a rádiólokátorral még vehető. A rádiólokátor minden céltárgyat észlel, amely a fedési diagramon belül van. A fedési diagram azonos az antenna függőleges irányú feszültségsugárzási karakterisztikájával. A fedési diagramot úgy készítik, hogy a magassági léptékek nagyobbak legyenek a távolsági léptékeknél. Azonos lépték esetén nagy távolságoknál a magasságok oly kicsinyek lennének, hogy a diagram használhatatlanná válna. Nagy távolságoknál a föld görbültségét is fel kell tüntetnünk. Szerkesztéskor a föld sugarát a tényleges földsugár 4/3-ára kell választanunk a föld görbültsége és a légkör hatása miatt. Ilyen diagram látható a 3.21. ábrán. A vízszintes vonal a lokátorhorizont (érintő), ha a rádiólokátor antennája h1=0 magasságban van. A szaggatott vonal h1>0 magasságon levő antenna esetén adódik. A horizont magassága (h) a föld felszínétől a D0 = 4,12 h rendezésével 2 D0 h= (3.55) 17 ahol D0 az optikai látótávolság a föld felszíne feletti h magasság esetén, ha a rádiólokátor antennája h1=0 magasan van. A horizont magasságának számítására vonatkozó képlet szerint a földgörbület a diagramon parabolának látszik. A különböző magasságú vonalak ezzel párhuzamos parabolák. Az emelkedési szögek az ilyen diagramon torzítva látszanak. A vízszinteshez közel levő szögek nagyobbak, a függőleges felé a szögek összeszűkülnek. E=

- 78 -


3.22. ábra Az optikai látótávolság a föld felszíne feletti h magasságú antenna esetén

3.2.4 A rádiólokátor vevő érzékenysége és sávszélessége

A vevőérzékenység a gyenge jelek vételének képességére jellemző adat. A vevő érzékenységének jellemzésére azt a legkisebb jelteljesítményt adják meg, mely még az előirt valószínűséggel detektálható. Ezt a vevő küszöbjelének (Pv min) nevezzük. A vevő érzékenysége függ a vevő erősítésétől és belső (termikus) zajától. Minél kisebb a vevő belső zaja és minél nagyobb a vevő erősítése, annál nagyobb a vevő érzékenysége. A zajteljesítmény a sávszélességgel arányos. A vevő fokozatainak impulzusokkal modulált nagyfrekvenciás jelet kell erősíteniük, és e jel alakhű átviteléhez – ideális négyszögimpulzust feltételezve – végtelen nagy frekvenciasávot kell átfogni. Ezért ismernünk kell azt az optimális vevő sávszélességet, amelynél alakhű átvitel mellett a zajteljesítmény még minimális értékű. A τi ideig tartó négyszögimpulzus frekvenciaspektrumának lényeges része 1/τi frekvenciasávon belül van. A 2/τi középfrekvenciás sávszélesség a jel energiájának 90 %-át magába foglalja. Helyes beállítás esetén a vevő videó sávszélessége 1…2/τi optimális értékre van állítva.

3.3 A RÁDIÓLOKÁCIÓS CÉLTÁRGYAK HATÁSOS KERESZTMETSZETE A hatótávolság számolásánál (3.1.1) már megemlítettük a céltárgy hatásos keresztmetszetét. Rádiólokációs szempontból a céltárgy legfontosabb jellemzője a hatásos keresztmetszete (hatásos felülete). - 79 -

A rádiólokációs céltárgyak hatásos keresztmetszete

A hatásos keresztmetszetet a céltárgy visszaverő tulajdonságának jellemzésére használjuk. Ez fejezi ki, hogy a céltárgy milyen mértékben veri vissza az elektromágneses hullámokat. Valamely céltárgy hatásos keresztmetszete egyenlő azzal a felülettel, amellyel a felvett teljesítményt izotróp sugárzóként kisugározva, a rádiólokátor vevőantennáján ugyanolyan teljesítménysűrűséget hoz létre, mint a valóságos céltárgy. céltárgy felé visszasugárzott teljesítmény , egységnyi térszögbe σ= = teljesítmény sűrűség a céltárgynál / 4π = lim 4πR R →∞

2

Evett

2

Ecéltárgy

2

(3.56) A céltárgy hatásos keresztmetszete általában függ: - a céltárgy lineáris mérete és a hullámhossz viszonyától, - a rálátás szögétől (a lokátor irányított sugárkarakterisztikája milyen szöget zár be a céltárggyal), - a céltárgy valóságos felületétől, - a céltárgy anyagától (εr relatív dielektromos állandó, μr relatív permeabilitás értékétől), - a cél távolságától (ez általában elhanyagolható, ha sokkal nagyobb a hullámhossznál), - a céltárgy alakjától, - az elektromágneses hullám polarizációjától. Minél nagyobb a céltárgy geometriai mérete a hullámhosszhoz képest, és minél kisebb a felületének egyenetlensége, annál nagyobb a hatásos keresztmetszete. A céltárgyak hatásos keresztmetszete egyetlen számmal még a legegyszerűbb esetben sem jellemezhető. A valóságban egy minimális és egy maximális érték között változik, ezért a számítások elvégzésénél közepes értékkel célszerű számolni. Mivel a valóságos céltárgyak többnyire fémből készülnek, ezért a hatásos keresztmetszet változását elsősorban a hullámhossz, illetve frekvencia és a rálátás szögének függvényében kell vizsgálni. A számításoknál feltételezzük, hogy a cél távolsága sokkal nagyobb a hullámhossznál és a céltárgyak méreteinél, továbbá lineárisan polarizált elektromágneses terek esetét vizsgáljuk. 3.3.1.1

A hatásos keresztmetszet függése a hullámhossztól

A hatásos keresztmetszet függését a hullámhossztól a 3.22. ábra illusztrálja.

- 80 -


σ a 2π

10 1,0

Rayleigh tartomány Rezonancia tartomány

10-1 10-2

Optikai tartomány

a

10-3 0,1

1

10

2πa

λ

3.22. ábra Lokátor céltárgy-gömb hatásos keresztmetszete a hullámhossz függvényében

Az ábrán három tartomány különböztethető meg: 1. Raleigh-tartomány: a céltárgy lineáris mérete jóval kisebb a hullámhossznál. Ilyen céltárgynak fogható fel az esőcsepp, a jégeső, a havazás és a felhő. Megfigyelhető, hogy σ fordítottan arányos λ4-nel. 2. Rezonancia tartomány: a céltárgy lineáris mérete összemérhető a hullámhosszal. A hatásos visszaverő felület az optikai tartományban felvett érték körül oszcillál. Az oszcilláció oka, hogy a céltárgyról a rádiólokátor vevőjébe egy közvetlenül reflektálódott hullámkomponens, valamint egy a fémfelületen körülfutó faláramok generálta másodlagos reflektálódott komponens is beérkezik, és ezek interfeálnak. A hatásos keresztmetszet hullámhosszfüggése erős. Ebben a tartományban a céltárgy gyakorlatilag detektálható. 3. Optikai tartomány: a céltárgy lineáris mérete sokkal nagyobb a hullámhossznál. Ebben a tartományban a céltárgy apertúrasugárzóként kezelhető, hatásos keresztmetszete alapján: (3.57) σ = Ac ⋅ Gc ahol Ac a céltárgynak, mint vevőantennának a beeső sugárzás irányában vett hatásos felülete, és Gc a céltárgynak, mint adóantennának a vizsgált reflexiós irányban vett nyeresége. 3.3.1.2

Néhány egyszerű céltárgy hatásos keresztmetszete

Gömb, amelynek sugara a>>λ Az a>>λ feltétel esetén gyakorlatilag nincs diffrakció, a rádióhullámok nem hajlanak el a gömbtől és a gömb teljes keresztmetszetét (a2⋅π) besugározzák. A gömb hatásos keresztmetszete ilyenkor a2⋅π, és nem függ az irányítottságtól (a rálátás szögétől), ezért: σgömb = a2⋅π [m2] (5.58) - 81 -

A rádiólokációs céltárgyak hatásos keresztmetszete

Félhullámú dipól Hatásos keresztmetszete a hullámhossztól és rálátás szögétől függ (3.23. ábra). γ E

H S

ϑ

ϑ=90° γ=0°

λ/2

S

E H

3.23. ábra Félhullámú dipól hatásos keresztmetszete

ahol

A félhullámú dipól hatásos keresztmetszete: σdip = 0,86 ⋅ λ2 sin2ϑ ⋅ cos2γ

(3.59)

ϑ - az emelkedési szög; azaz a dipól tengelye és a vett elektro-

mágneses hullám teljesítménysűrűség vektora (S) közötti szög, γ - az elektromos térerősség vektor (E) és a dipól tengelye által bezárt szög. A képlet figyelembe veszi a sugárzó irányított és polarizációs tulajdonságát. A ϑ növelése esetén 0-tól 90°-ig a félhullámú dipól nyeresége Gd = 0..1,64 értékű. A γ növelésével az elektromos térerő maximumról 0-ra csökken. A maximális térerőt akkor kapjuk, amikor S merőleges és E párhuzamos a dipól tengelyével. Amikor E merőleges a tengelyre, a térerő zérus lesz. axb oldalú síkfelület Azt a sík felületet, amelynek lineáris méretei lényegesen nagyobbak a hullámhossznál, és a felület normálisa egybeesik a sugárzás irányával, a beeső elektromágneses hullám az ab területet egyenletesen és azonos fázisban sugározza be. Ilyenkor az un. tükör-reflexió következik be. A sík lap úgy viselkedik, mint egy azonos nyílásfelületű antenna, vagyis a reflexió élesen irányított lesz az azonos fázisú felületek miatt. 2 ( 4π ⋅ ab ab ) σ síklap = ab ⋅ = 4π ⋅ 2 [m 2 ] (3.60) 2

λ

λ

Ilyen tükör-reflexió ritkán következik be, mert ha a rálátási szög<90° pl. 86°, akkor a visszaverődés a maximális érték töredéke lesz: σsík = 0,06σmax

- 82 -


A 3.60 összefüggésből következik, hogy tükör-reflexió esetén a hatásos felület hihetetlen mértékben megnövekedhet. Például „a” oldalú négyzet esetén a valóságos felület: a2. Legyen a = 10λ, akkor a hatásos keresztmetszet: a4 σ síklap = 4π ⋅ 2 ≅1250 ⋅ a 2 [m 2 ] (3.61)

λ

Tehát a hatásos keresztmetszet több mint 1250-szerese lesz a tényleges felületnek. 3.3.1.3

Bonyolult alakú (összetett) céltárgyak

A reális rádiólokációs céltárgyak többsége bonyolult alakú (konfigurációjú) és az egyszerű visszaverő felületek sokaságát tartalmazza. Ezért a valóságos céltárgyakra jellemző, hogy a visszaverődésben fluktuációk keletkeznek. Ennek egyik oka, hogy a különböző távolságú pontról kapott egyidejű visszaverődés az útkülönbség miatt fáziskülönbséggel rendelkezik: azaz erősíthetik, vagy gyengíthetik egymást. A másik ok, hogy a hatásos keresztmetszet nagymértékben függ a rálátás szögétől. A valóságos mozgó, sőt manőverező céltárgy hatásos keresztmetszete tág határok között, véletlenszerűen változik. Ennek megfelelően a visszavert jel nagysága is ingadozik. azaz változik a cél felderíthetősége. A visszavert jel fluktuációja 10 dB nagyságrendet is eléri, és a hozzá tartozó frekvenciaspektrum 0…100 Hz lehet. Következésképpen: a rádiólokációban a zajokon kívül a visszavert jelek is véletlen jellegűek, ezért a fluktuáció csökkenti a cél felderítési valószínűségét.

- 83 -

Különböző típusú lokátorok

4 KÜLÖNBÖZŐ TÍPUSÚ LOKÁTOROK

4.1 LOKÁTOROKBAN ALKALMAZOTT MODULÁCIÓS MÓDOK A legtöbb lokátorban modulálják az adó nagyfrekvenciás jelét, hogy ezzel növeljék a célról vett információk számát. Moduláló jelként az adóoszcillátor nagyfrekvenciás jelénél több nagyságrenddel kisebb frekvenciájú, időben periodikusan változó lineáris (fűrészfog vagy háromszög alakú), szinuszos vagy négyszögjelet használnak. Leggyakrabban az impulzus-amplitúdómodulációt alkalmazzák. Előnye, hogy impulzusüzemben az oszcillátorként alkalmazott aktív áramköri elem jóval nagyobb teljesítményt képes leadni, mint folyamatos üzemben. Ezért az ilyen modulációjú lokátorok hatótávolsága jóval nagyobb, mint a többié. Az impulzusüzemű lokátorokkal több cél is mérhető, és azok összes helyparamétere. A folytonos hullámú lokátorokkal csak a céltárgy radiális sebessége, a lineáris és szinuszos frekvenciamodulált, valamint az impulzusamplitúdómodulált lokátorokkal viszont a céltárgy távolsága is mérhető. A moduláló jel paraméterei és a harcászati jellemzők között nagyon szoros a kapcsolat. Ugyanis a moduláló jel paraméterei elméleti határt szabnak a maximális és a minimális hatótávolságnak, a távolság szerinti felbontóképességnek és mérési pontosságnak. Az FM rendszerű lokátorok maximális és minimális hatótávolságát, távolság szerinti felbontóképességét és mérési pontosságát alapvetően a moduláló jel frekvenciája határozza meg. Impulzusüzemű lokátorok esetén a maximális hatótávolságot az impulzusok ismétlődési frekvenciája, a minimális hatótávolságot, távolság szerinti felbontóképességet és mérési pontosságot az impulzusidő (τa) határozza meg. A moduláló jel paraméterei által meghatározott értéknél jobb harcászati jellemzők a lokátorokkal egyértelműen még akkor sem mérhetők, ha más tényezők hatása ezt lehetővé tenné. A lokátorok modulációja szerint két fő osztályt különböztetünk meg: folyamatos- és impulzus üzemű lokátorokat. A folytonos hullámú lokátorok általában a céltárgy távolságának meghatározására a Doppler-elvet használják, míg az impulzus rendszerűek több- 85 -

Folytonos hullámú lokátorok

ségében az idő-meghatározó módszert (a kisugárzott és a visszavert jel vétele között eltelt idő) alkalmazzák. A folytonos hullámú lokátorok két nagy csoportra oszthatók: - modulálatlan (Continue Wave: CW), - frekvencia-modulált (FM), - zajmodulált. Az impulzus üzemű lokátorok a következő csoportokra oszthatók: - modulálatlan, amplitúdódemodulációs - modulálatlan fázisdemodulációs (MTI: mozgó-céltárgy indikációs), - frekvenciamodulált, - fáziskód-modulált.

4.2 FOLYTONOS HULLÁMÚ LOKÁTOROK

4.2.1 Modulálatlan (CW) folytonos hullámú lokátor

Egy céltárgy radiális sebessége (vr) a Doppler-effektus felhasználásával modulálatlan, folytonos hullámú lokátorral is mérhető. A doppler-elv szerint: ha egy folytonos hullámú (CW) adó fa frekvenciájú hullámmal sugároz be egy adott céltárgyat, és a céltárgynak az adóhoz viszonyítva radiális sebessége (vr) van, akkor a céltárgyról reflektált jel frekvenciája (fv) vagy nagyobb, vagy kisebb lesz, attól függően, hogy a céltárgy az adó felé közeledik, vagy attól távolodik. Az adó által kisugárzott jel frekvenciájától való eltérés a dopplerfrekvencia (fd). Ha a reflektált jel frekvenciája az adó jeléhez viszonyítva nagyobb, akkor a doppler-frekvencia pozitív, ha pedig kisebb, akkor negatív. Tehát fd-t úgy határozhatjuk meg, hogy a reflektált jelet az adó jeléhez viszonyítjuk (4.1. ábra). fa

ADÓ fd

fa

KEVERŐ

VEVŐ

fv

fv

6.1. ábra A mozgó céltárgyról visszavert jel

A gyakorlatban megvalósítható, a Doppler-elv alapján működő lokátor tömbvázlata az 4.2. ábrán látható. Legyen az adó oszcillátora által előállított - 86 -


jel frekvenciája fa = 3000 MHz. Ekkor a visszavert jel frekvenciája a radiális sebesség irányától (értelmétől) függően fv = fa ± fd. Technikai okokból azonban a két frekvenciát nem közvetlenül keverik össze, hanem az adóból vett mintát először 30 MHz-cel keverik. Utóbbit valamilyen stabil oszcillátorral állítják elő. Az összegező keveréssel nyert fü = 3030 MHz-es jellel keverik a visszavert jelet. A két jel (fü és fv) különbségére hangolt középfrekvenciás erősítő kimenetén kapott fKF = 30 MHz ± fd középfrekvenciás jelet a detektor egyenirányítja. Ennek kimenetén fd adódik, s ezt erősítés után az indikátorra vezetjük. fa fv= fa ± fd fa=3000 MHz

fKF=30 MHz± fd

fü=3030 MHz Oszcillátor

Keverő

Vevő keverő

KF erősítő

Detektor

fd

f=30 MHz KF oszcillátor

HF erősítő

Indikátor

6.2. ábra Folytonos hullámú modulálatlan lokátor

Az ismertetett berendezés a doppler-frekvencia előjelét és a cél távolságát nem tudja meghatározni. Olyan berendezés, amely képes fd előjelét is megállapítani, egyéb elemeket, áramköröket is tartalmaz. Távolságot nem tudunk ezzel a lokátorral mérni, mert a kisugárzott és a visszavert jel között, például álló céltárgy esetén csak a bejárt úttal arányos fázis különbség van. A fázis különbség: Δϕ = β ⋅ 2R (4.1) ahol β = 2π/λ a fázistényező és R a céltárgy ferde távolsága által bejárt út. Abban az esetben, ha 2R = k⋅λ, akkor a visszavert jel fázisa: 2π Δϕ = ⋅ k ⋅ λ = k ⋅ 2π (4.2)

λ

ami azt jelenti, hogy nincs fáziskülönbség, ezért a hullámhossznál nagyobb távolságról érkező jelnél nem egyértelmű, hogy milyen távolságról érkezett a jel. Ezt a lokátort tehát csak a hullámhossznak megfelelő távolságon belül lehet távolságmérésre használni, ami elhanyagolható távolság.

- 87 -

Folytonos hullámú lokátorok

4.2.2 Lineáris frekvenciamodulált (FM) lokátorok

Ha egy folytonos hullámú lokátorral távolságot is akarunk mérni, akkor az adó frekvenciáját modulálnunk kell. Elterjedt módszer az adó periodikus frekvenciamodulációja. A rendszer lényege, hogy az adó frekvenciáját az idővel arányosan változtatják. A változtatást az adóoszcillátor frekvenciájának középértékéhez (fo) viszonyítva egyenletesen növelik és csökkentik. Az adóoszcillátor kimenő jelének egy részét, valamint a célról visszavert jeleket a vevő keverő fokozatára juttatják. Az elektromágneses hullámoknak a céltárgy és a lokátor közötti távolság (oda-vissza út) megtételéhez szükséges idő alatt az adó frekvenciája megváltozik, és a két frekvencia közötti különbséget a keverő detektálja. Ezt a frekvenciát üttetési frekvenciának (fü) nevezzük. A frekvencia változásából, vagyis az üttetési frekvenciából meghatározható a céltárgy távolsága. Az 4.3. ábra vastag vonallal a moduláló jelek hatására létrejövő frekvenciaváltozást, szaggatott vonallal pedig a t = 2R/c időkéséssel visszaérkező jel frekvenciaváltozását mutatja. Ha a moduláló jel hatására létrejövő teljes frekvenciaváltozást Δf-el jelöljük, akkor az fo közepes frekvenciához viszonyítva a frekvenciaváltozás ±(Δf/2) értékű. Mint az ábrán látható, Δf nagyságát az adóoszcillátor kivezérlési tartományán belül a moduláló jel amplitúdója határozza meg. A könnyebb kiértékelés végett moduláló jelként csak periodikusan változó jeleket célszerű alkalmazni, ezért a mérhető maximális hatótávolságot a moduláló jel frekvenciája (fm) határozza meg. fa t=

2R c

2R 1 = c 4 fm

fv

fo

Δf t

Ti=1/fm

Δf/2 Ti=1/fm

a.,

c.,

fü t b., 4.3. ábra A lineáris FM modulált lokátor jelei

Az 4.3. ábrán moduláló jelként szimmetrikus háromszög jelet rajzoltunk fel. Belátható, hogy a R távolságban lévő céltárgyról visszavert jelfrek- 88 -


2R 1 Δf frekvenciaváltozást. = időkésés esetén ad f ü = c 4 fm 2 A két egyenlet egymással elosztva megadja a távolság s az üttetési frekvencia közötti összefüggést: 4 f Δf R fü = m (4.3) c Az egyenletet R-re rendezve: c fü R= (4.4) 4 f m Δf 1 , Adott fm esetén maximális hatótávolságot akkor kapunk, ha t = 2 fm mert akkor fü = Δf. Az ehhez tartozó hatótávolság: cT c Rmax = = i (4.5) 4 fm 4 A keverő kimenetén adódó különbségi frekvenciát erősítés után frekvenciamérővel mérik, melyet esetleg mért távolságra kalibrálnak. A leírt elmélet megvalósítására alkalmas rendszer egyik lehetséges megoldását az 4.4. ábra tömbvázlata mutatja. A modulátor állítja elő az 4.3.a. ábrán folytonos vonallal ábrázolt moduláló jelet, melynek időbeli lefolyása szerint változik az oszcillátor frekvenciája. Az ábrán látható változat szerint lineárisan frekvenciamodulált rezgéseket az antenna elektromágneses hullámok formájában, irányítottan kisugározza a térbe. Ugyanakkor az adó oszcillátorától folyamatosan minta frekvenciát juttatunk a vevő keverő detektorába. A mintafrekvenciát gyakran referencia- (összehasonlító) jelnek is nevezzük. A céltárgyról reflektálódott elektromágneses hullámokat a vevőantenna elektromos rezgésekké alakítja át, melyek szintén a keverőre jutnak. A keverő kimenetén kapott különbségi frekvenciaerősítés és határolás után a számlálóba kerül, amely a frekvencia értékének meghatározása után vezérli az indikátort. Ez utóbbi a célt már távolság szerint ábrázolja. A visszavert jel nagysága a cél távolságától és a térben elfoglalt helyzetétől függően változik. Az erősítő olyan értékre erősíti fel a különbségi frekvenciát, hogy a limiter (határoló) a bemenő jel amplitúdójától függetlenül, állandó nagyságú négyszögjelet tudjon előállítani. Ezeket, vagy ezek deriváltját számlálja a számláló. A rendszerben alkalmazott számláló a különbségi frekvenciának csak az egész számú többszörösét képes mérni. Emiatt a cél távolságától független állandó mérési hiba keletkezik. Mivel fü számlálása 1/fm ideig tart, és ezalatt maximális mérési hibát akkor kapjuk meg, ha a moduláló feszültség egy periódusa alatt egyetlen különbségi frekvencia adódik, mert ennek töredékét a vencia éppen t =

- 89 -

Folytonos hullámú lokátorok Adó antenna Oszcillátor

Modulátor

Ur Keverő

Erősítő

Limiter

Számláló

Indikátor

Vevő antenna

4.4. ábra Lineáris FM lokátor

számláló már nem érzékeli. Ha tehát a R értékének számítására szolgáló egyenletbe az fü = fm egyenlőséget helyettesítjük, akkor az elméletileg maximális mérési hibát kapjuk: c (4.6) ΔR = 4 Δf szerint a távolságmérés annál pontosabb, minél nagyobb a frekvenciaváltozás. Az összefüggés egyben meghatározza a legkisebb még mérhető távolságot (Rmin) és a távolság szerinti felbontóképességet (ΔR) is. A lineáris frekvenciamoduláció megvalósítása nehéz, ezért többnyire szinuszos modulációt alkalmaznak. Ilyenkor fü átlagával ( f ü ) számolnak, a megadott összefüggések f ü -gal is érvényesek. Az állandó hiba - az átlagolás miatt - az elméletileg számítottnál kisebb lesz. A frekvenciamodulált lokátorral egy időben csak egy cél mérhető, ezért elsősorban fedélzeti magasságmérő berendezésként (rádió-altiméter) alkalmazzák. Ez esetben a cél maga a föld felülete. Ennek nagy kiterjedése folytán kis adóteljesítmény szükséges. A közölt összefüggések R = H helyettesítéssel akkor is érvényesek. Legyen pl. Δf =50 Hz, és fm = 100 Hz. Ekkor: 3 ⋅10 8 c ΔH = = = 1,5 m (4.7) 4 Δf 4 ⋅ 50 ⋅10 6 R = H = 2 km esetén: 4 R f m Δf 4 ⋅ 2 ⋅10 3 ⋅ 50 ⋅10 6 fü = =130 [kHz ] (4.8) = 3 ⋅10 8 c 4.2.3 Zajmodulált folytonos hullámú lokátor

Amint azt már a korábbiakban láthattuk, a folytonos hullámú lokátorok által kisugárzott jelet modulálni kell ahhoz, hogy ne csak sebességet tudjunk vele mérni. Zajjal az amplitúdóját vagy a fázisát változtatják a jelnek. - 90 -


Az 4.5. ábrán látható egy zajmodulált lokátor elvi tömbvázlata. A zajgenerátor jele a modulátorra jut. A modulátor megvalósítja nagyfrekvenciás jel modulációját a véletlen jellel. Az adó feladata jel kívánt szintre való felerősítése. A kisugárzott jel a céltárgy távolságának megfelelő késleltetéssel érkezik vissza a vevőbe. A vevő erősíti fel a vett jel a feldolgozáshoz szükséges szintre. A vevőről a jel a korrelátorra jut. A korrelátorra jut még a zajgenerátor késleltető áramkör által késleltetett jele. A korrelátor abban az esetben ad ki maximális jelet, amikor a kisugárzott és a céltárgy távolságával arányos késleltetést szenvedett jel, valamint a késleltető áramkörről érkező jel késleltetési ideje megegyezik. Ekkor a két irányból tulajdonképpen ugyanaz a jel kerül a korrelátorra. A korrelátor egyenlete a következő: 1 t +T R(T − Tk )= ∫ va (t − T ) ⋅ va (t − Tk ) dt (4.9) Ti t i

ξ(t)

Modulátor

Adó

Zajgenerátor ξ(t-Tk)

Korrelátor

Vevő ξ(t-T)

ξ(t)

Kéleltető vonal (Tk)

ξki=R(T-Tk)

4.5. ábra Zajmodulált folytonos hullámú lokátor

A folytonos hullámú lokátorok előnyei és hátrányai: Előnyei: felépítésük viszonylag egyszerű, a szükséges csúcsteljesítmény kicsi, így nincs szükség nagyfeszültségű modulátorra, képesek megkülönböztetni az álló és mozgó tárgyakat - ha az utóbbinak radiális sebességkomponense nem nulla. Hátrányai: viszonylag kis távolságok mérésére alkalmazhatók, a szolgáltatott információk száma korlátozott, gyakorlatilag csak egyetlen céltárgy adatát mérik, külön adó- és vevőantenna szükséges. Alkalmazásuk: közelségi gyújtóban, repülőgépek fel- és leszállásának irányításához, repülőgépek magasságának méréséhez, repülőgépnavigációhoz, lövedékek sebességének mérésére, polgári életben tehervagonok rendezéséhez és a gépkocsik sebességének ellenőrzésére.

- 91 -

Impulzusüzemű lokátorok

4.3 IMPULZUSÜZEMŰ LOKÁTOROK

4.3.1 Modulálatlan, impulzusüzemű amplitúdó-demodulációs lokátor

A folytonos hullámú lokátorok hátrányai nagymértékben csökkenthetők impulzus-moduláció alkalmazásával. Ennek lényege, hogy rövid ideig tartó (0,1 ...10 μs) nagyfrekvenciás impulzus kisugárzása után az adás szünetel. A két adóimpulzus közötti időt vételre használják. A lokátor típusától és hatótávolságától függően egy másodperc alatt 50...8000 impulzus kisugárzása szokásos. Az adás és vétel időbeni eltolódása miatt egy antennát lehet alkalmazni a két feladatra. mindkét feladat megoldható. Ilyen rendszerű berendezésekkel a feladatok sokasága oldható meg, ezért legelterjedtebben ezt lokátor típust használják. A lokátor egyszerűsített tömbvázlatát az 4.6. ábra szemlélteti. A lokátor működését az időzítő egység vezérli, amely az indító jel (U1) és a kijelzés időzítését végzi. Az indító jel hatására a modulátor kiadja a τa szélességű impulzust (U2) az adónak. Az adó nagyteljesítményű (10 kW - 1 MW-on felül), nagyfrekvenciás 70 MHz - több GHz-ig), τa időtartamú impulzusokat állít elő. Az impulzusok az adás-vétel kapcsolón és a nagyfrekvenciás tápvonalon keresztül az antennára kerülnek, amely azokat irányítottan a térbe sugározza. A/V kapcsoló

U3

U4

Adó

Ti

U1

t

U2

τa

Vevő

U2

mod.

τa

t

U1

Burk. det.

Időzítő egység

U5

U3 fa t

U1

Indikátor

T=2R/c

U4

t U5

t

4.6. ábra Modulálatlan amplitúdó-demodulációs lokátor tömbvázlata és jelalakjai

- 92 -


A reflektálódott impulzusok az antennába a céltárgy távolságával arányos mértékben csillapodva érkeznek, amelyek a tápvonalon és az adás-vétel kapcsolón keresztül a vevőbe jutnak (U4). A vevő szuper-rendszerű, így a vett jelet frekvenciatranszponálás után felerősíti, majd azt a burkoló demodulátorra juttatja. A burkoló detektor a jel burkolójával arányos egyenáramú jelet ad ki, amit további erősítés után a lokátor indikátorára kerül. A vevő összes erősítése általában 1011 (110 dB) nagyságrendű. A lokátor indikátora a cél távolságának esetleg más koordinátának is megfelelően ábrázolja a reflektált jelet. A cél távolságát a c ⋅T R= (4.6) 2 összefüggés alapján mérik, ahol R a cél ferde távolsága, c a rádióhullámok terjedési sebessége (3.108 m/s), T az impulzus kisugárzása és visszaérkezése között eltelt idő. Az 1/2 szorzófaktor a kétszeres megtett út (a célig és vissza) miatt adódik. Az adó és az antenna (adáskor), illetve a vevő és az antenna (vételkor) elektromos összekapcsolását, valamint az adó- és vevő elválasztását az adásvétel kapcsoló (diplexer) biztosítja. Szükségességét az egy antenna alkalmazása indokolja. Az antennavezérlő rendszer lehetővé teszi az antenna vízszintes és függőleges síkban való elmozgatását. Szükség esetén a célok automatikus követése is megvalósítható. Ez ilyen típusú lokátor csak távolságmérésre alkalmas, mert a vétel során nem áll rendelkezésünkre az, hogy az adónak milyen volt a fázisa az adáskor. A sebességméréshez szükség lenne arra, hogy milyen volt a kezdő fázis, vagy frekvencia ahhoz, hogy meg tudjuk állapítani a doppler hatására történő frekvenciaváltozást. 4.3.2 Modulálatlan, impulzusüzemű fázisdemodulációs (MTI) lokátor

A modulálatlan, impulzusüzemű amplitúdó-detektoros lokátor azon hátrányát, hogy csak távolságot képes mérni, küszöbölhetjük ki a modulálatlan fázisdetektoros lokátorral. A 3.3. pontban leírtak szerint, a Dopplereffektus felhasználásával a kisugárzott és visszaverődött frekvenciát összehasonlítjuk, különbségi frekvenciát képezünk, melynek értéke a cél radiális sebességétől függ. Ahhoz, hogy a Doppler-effektust impulzus-lokátorhoz is felhasználhassuk, az szükséges, hogy a vétel egész időtartamára olyan rezgést állítsunk elő, melynek frekvenciája és fázisa megegyezik az adó jelével. Egy másik probléma a mikrohullámú jelek erősítése, ezért célszerű az összehasonlítást középfrekvencián elvégezni.

- 93 -


Egy gyakorlatilag megvalósítható mikrohullámú fázisdetektoros lokátor tömbvázlata az 4.7. ábrán látható. Az indító jel indítja a modulátort, valamint az indikátorban a kijelzés időzítését. A modulátor τa szélességű egyenáramú impulzust ad ki, ami erre az időre engedélyezi az adóerősítő működését. Az adóerősítő, a rájutó nagy frekvenciás jelet, a kisugárzáshoz szükséges nagy teljesítményre erősíti. A felerősített jel az adás-vétel kapcsolón keresztül az antennára jut. Az adóerősítőre jutó nagyfrekvenciás jelet a nagy stabilitású helyi oszcillátor és a koherens oszcillátor jeléből az I. keverő állítja elő. Az antenna által vett a céltárgyról reflektált jel az adás-vétel kapcsolón keresztül a II. keverőbe jut, melyre a nagystabilitású oszcillátor rezgése is rákerül. A két rezgés különbségi keveréséből fKF, vagy fKF ± fd adódik, a cél radiális sebességének nulla, vagy nullától eltérő értékétől függően. Indító jel

Adó oszcillátor

Modulátor

fa

Adás-vétel kapcsoló

fa fv I. keverő

fo

Helyi oszcillátor

II. keverő

fo

fc Koherens oszcillátor

fKF fc

Fázis demodulátor

fKF

KF. erősítő

Ud Indikátor

Kivonó

4.7. ábra MTI lokátor tömbvázlata

A két rezgést középfrekvencián a vevő fázisdetektora hasonlítja össze. Az ennek kimenetén kapott detektált jel (impulzus) amplitúdója és polaritása a két jel (fc és fKF) jel fázisviszonyától függ. Állócélok esetén a két rezgés egymáshoz viszonyított fáziseltérése állandó (csak a cél távolságának függvénye), így a kimenő impulzus amplitúdója és polaritása is állandó, ami lehet pozitív vagy negatív (4.8.a,b ábra).

- 94 -


a., b.,

c.,

4.8. ábra MTI lokátor jelei

A radiális sebességű mozgócél távolsága, így a reflektált jel fázisa is állandóan változik. Emiatt a fázisdetektor kimenetén kapott impulzusok amplitúdója és polaritása szintén folyamatosan változó (4.8.c ábra). Az impulzusok burkológörbéje szinuszos, frekvenciája pedig éppen a doppler-frekvenciával egyenlő. Vegyük észre, hogy az álló és mozgó céltárgyról visszaverődő jelek tulajdonságai eltérőek, az állóé állandó, a mozgóé változó fázisú. Ez ad lehetőséget ahhoz, hogy az álló céltárgyak jelét elnyomjuk és csak a mozgó céltárgyakról visszaverődött jelet vegyük. 4.3.2.1

A mozgótárgy indikáció

Az impulzusüzemű, aktív rádiólokáció negatív sajátossága, hogy nehéz felderíteni és követni azokat a céltárgyakat, amelyek visszavert jeleit a háttér (tárgy) jelei elfedik. A fázisdetektoros lokátor olyan impulzusüzemű lokátor, amely a Doppler-effektus felhasználásával, nem csak a jel sebességének mérésre alkalmas, hanem a mozgócélokat is meg tudja különböztetni az állócéloktól. Az ilyen lokátorokat mozgótárgy indikáló (MTI) lokátornak nevezzük. Az MTI elnevezés szerencsésen egybeesik az eredeti angol szó, a MovingTarget Indication rövidítésével. Az MTI lokátorok előnye, hogy olyan kisméretű céltárgyak is vehetővé válnak, amelyek egyébként az őket elfedő álló céltárgyakról eredő reflexiók miatt nem lennének láthatók. Ilyen álló céltárgyak, pl. a helyi tereptárgyak, amelyekről a visszavert jelek az indikátor többkevesebb részét elfedik, telítik. A mozgó cél kiválasztás rendszere két csoportra osztható: - koherens - nem koherens rendszerű. A koherens rendszereknél a koherens rezgések valamilyen formája van megvalósítva. Két szinuszos rezgés akkor koherens, ha a rezgések közötti fáziskülönbség a teljes időintervallumban állandó értékű. A koherencia akkor valósul meg fizikailag, amikor ugyanannak a rezgési folyamatnak különböző időintervallumait hasonlítjuk össze.

- 95 -


A nem koherens (inkoherens) rendszerek csak az impulzusüzemű lokátorokban alkalmazhatók, ugyanis ezek a rendszerek a visszavert jelek meghatározott (szétválasztott) időintervallumainak összehasonlításán alapulnak. A fázisdetektoros lokátor egy koherens lokátor, mert a vétel egész ideje alatt olyan rezgést állítunk elő, melynek a frekvenciája és fázisa megegyezik az adó jelével. Ezzel lehetőségünk van arra, hogy összehasonlítsuk a vett és az adott jelet egymással, miáltal megállapíthatjuk, hogy adott esetben mekkora a doppler-frekvencia értéke, azaz a jel radiális sebessége. A vett és adott jelet a fázisdetektoron hasonlítjuk össze. Az álló célról visszavert jel és a koherens oszcillátor jele között mindig állandó a fáziskülönbség, de a mozgó céltárgy esetében a visszavert jel fázisa megváltozik. Az impulzus idő alatt a cél elmozdulása nem jelentős. Azonban az impulzusismétlődési idő (Ti) alatt a cél elmozdulása összemérhető a hullámhosszal. Ennek következtében az egyik impulzustól a másikig a visszavert jel fázisa jelentősen megváltozik, ezért a detektor kimenetén a videoimpulzusok amplitúdója szintén változik. Az indikátoron a mozgó célok jelei pulzáló impulzus formájában jelennek meg az állóké pedig azonos amplitúdójúak. A mozgó céltárgyat úgy lehet megkülönböztetni az állótól, ha a vett jelből kivonjuk az egy impulzusismétlődési idővel későbbi jelet, mint azt az 4.9. ábra mutatja. Ud(t)

álló

mozgó

t Ud(t) 1:1

Uki(t) Kélelt. Ti

Ud(t-Ti)

-

t Uki(t) t 4.9. ábra A mozgótárgy indikáció megvalósítása és működésének szemléltetése.

A kivonó rendszer működése a következő. Mint az 4.8. ábrán látható, a radiális sebességgel mozgó céltárgyról érkező videojeleket (detektált jeleket) a doppler-frekvencia modulálja. Valamely időpillanatban az impulzusamplitúdó értéke: u1 = U0 cos(2π fd t) (4.7) A következő impulzusnál, vagyis Ti periódusidő múlva: u2 = U0 cos[2π fd (t + Ti)] (4.8) amplitúdó adódik, ahol U0 a t = 0 pillanathoz tartozó maximális amplitúdó érték.

- 96 -


sével:

Képezzük az ul-u2 különbséget. A trigonometrikus átalakítás mellőzé-

⎡ ⎛ T ⎞⎤ u = u1 − u 2 = 2U 0 sin (π f d Ti ) ⋅ sin ⎢2π f d ⎜ t + i ⎟⎥ (4.9) ⎝ 2 ⎠⎦ ⎣ melyben az első tényező a különbségi jel amplitúdóját, a második pedig a jel fázisát írja le. Az amplitúdó tehát: ⎛ f ⎞ (4.10) u = 2U 0 sin (π f d Ti ) = 2U 0 sin ⎜⎜ π d ⎟⎟ ⎝ fi ⎠

ahol fi az impulzusok ismétlődési frekvenciája, és f i =

1 . Az összefüggésből Ti

látható, hogy a különbségi jel is tartalmazza a doppler-frekvenciát, és ha a doppler-frekvencia fi-nek egész számú többszöröse, akkor az amplitúdó zérus lesz. Az ehhez tartozó radiális sebességet vaksebességnek nevezzük. Az olyan mozgócélt tehát, melynek radiális sebessége nincs, vagy a vaksebességgel mozog, az MTI rádiólokátor nem „látja”. A vaksebesség: k f λ kλ (4.11) vv = i = 2 2 Ti ahol a vv mértékegysége m/s, ha λ -t m-ben, fi-t pedig Hz-ben helyettesítjük. Például: Ha λ = 10 cm és fi = 400 Hz, akkor az első (k = 1) vaksebesség: vv1 = 20 m/s = 72 [km/h]. A kivonó rendszer átviteli függvénye az 4.10. ábrán látható. Eszerint fd = k ⋅ fi frekvenciákon (k = 0, l, 2, ....) a kimenő jel zérus. U

U

ki d

fd 0

fi

2fi

3fi

4.10. ábra A kivonó rendszer átviteli függvénye

A vaksebesség elleni védelemre a megoldás a vaksebesség képletéből adódik (4.11). Az egyik megoldás, hogy a λ-t, vagy másképpen a frekvenciát változtatjuk meg. A frekvencia változtatása rendszertechnikailag elég nehéz, ezért nem nagyon alkalmazzák ezt a megoldást. A másik megoldás az impulzusismétlődési idő változtatása. Ha a Ti-t változtatjuk, akkor egy másik doppler-frekvenciára adódik ki a vaksebesség. Ezért alkalmazzák a lépcsőzetes indítást, ami azt jelenti, hogy az egymás utáni impulzusismétlődési idők egy-

- 97 -


mástól eltérnek. Így az a doppler-frekvencia, amelyik Ti1-re vaksebességre adódik, Ti2-re már nem lesz az és ez igaz a fordítva is. Ud(t) 1:1

Uki(t) Kélelt. Ti1

-

1:1

Kélelt. Ti2

-

4.11. ábra A vaksebesség kiküszöbölése

Ha az MTI lokátort olyan járművön (pl. repülőgépen) helyezik el, amely v sebességgel halad, akkor az álló tereptárgyak is mozgó céltárgyként mutatkoznak. Ezt az állandó mozgásból eredő doppler-hatást úgy lehet kompenzálni, hogy egy fázistoló a referens jel fázisát ugyanolyan mértékben megváltoztatja, mint amilyen mértékben az álló tárgyak jeleinek fázisa (a jármű mozgása miatt) megváltozik. A fázistolót a koherens oszcillátor és a fázisdetektor közé helyezzük el. Az MTI rendszert repülőgépen vagy földön (hajón) telepített lokátorokban alkalmazzák mozgó célok felderítésére, valamint passzív zavarok (tereptárgyak, felhők, dipólzavarok) kiszűrésére. 4.3.3 A lineáris frekvenciamodulált impulzusüzemű lokátor

A lokátorok távolság-felbontóképessége, mint azt a 3. fejezetben már láttuk, összefüggésben van az adóimpulzus hosszúságával (τa). cτ ΔR = a (4.12) 2 Az 4.12 egyenletből látható, hogy az impulzus szélességének csökkentésével, növelhető a lokátor felbontóképessége. Az impulzus szélességét azonban nem érdemes túlságosan lecsökkenteni, mert azzal a jel energiája is csökken. A jel energiája: Ea = Pa ⋅τa (4.13) Az 4.13 egyenlet alapján az energia csökkenését kompenzálni lehetne az adó teljesítményének (Pa) növelésével. A teljesítményt azonban nem lehet korlátlanul növelni. mert az erősítő elemként alkalmazott csöveknél és tranzisztoroknál egyaránt van egy olyan áramerősség, amelynél nagyobbat nem lehet keresztül hajtani rajtuk az eszköz fizikai korlátjai miatt. Ha az áramot nem tudjuk emelni, akkor emeljük a feszültséget, hiszen azzal is lehet a teljesítményt növelni. A túlzottan nagy feszültség hatására azonban már röntgensugárzás lép fel, ami káros a berendezés kezelőire. A felbontóképesség növeléséhez tehát valamilyen más megoldást kellett keresni. Ez a megoldása a jel sávszélességének növelése. Ennek az a ma-

- 98 -


gyarázata, hogy az impulzusüzemű lokátoroknál a jel sávszélessége és az impulzus szélessége közötti összefüggés a következő: 1 B= . (4.14)

τa Fejezzük ki az 4.14 egyenletből τa-t, és helyettesítsük 4.12-be, akkor az

alábbi összefüggést kapjuk:

c (4.15) 2B Az 4.15 szerint a lokátor távolság-felbontóképessége annál jobb, minél nagyobb a jel sávszélessége. A távolság-felbontóképességnek ezt a fajta növelését impulzus-kompressziónak hívjuk. Az impulzuskompresszió során az adóimpulzus ideje alatt az adó frekvenciáját változtatjuk, majd a vett jelet egy lineáris késleltetésű (diszperzív) szűrőn vezetjük át. Az 4.12. ábrán látható módon változó frekvenciát sugároz ki az adó. Az adás elkezdésének ideje (t1) és befejezése (t2) közötti időre igazak az alábbi összefüggések: t2 = t1 + τa, (4.16) és τa = t2 - t1. (4.17) A szűrő bemenetére a jel a megtett út távolságának megfelelő késleltetéssel érkezik (T =2R/c). A szűrő az impulzus kezdetén kisugárzott f1 frekvenciájú jelet Δt1 ideig, míg a végén kisugárzott f2 frekvenciájú jelet csak Δt2 ideig fogja késleltetni. A kettő közötti összefüggés a következő: Δt1 = Δt2 + Δt (4.18)

ΔR =

f

t

a.,

f2

b.,

Δt1 Δf

f0

Δt

f1

Δt2 f

t f1

t2

t1

f0

f2

τa

τa

4.12. ábra A lineáris FM adó jele (a.) és a lineáris késleltetésű szűrő késleltetési ideje (b.)

Most vizsgáljuk meg azt, hogy milyen késleltetést szenvednek az impulzus során kisugárzott egyes összetevők. Először a t1 időpontban kisugárzott és f1 frekvenciájú jel teljes késleltetését állapítsuk meg: t1ki = t1 + T+ Δt1 = t1 + T + Δt2 + Δt (4.19)

- 99 -


Az utoljára kisugárzott f2 frekvenciájú jel által elszenvedett késleltetés a következő: t2ki = t1 + τa + T+ Δt2 = t1 + T + Δt2 +τa (4.20) A kettő időpont közötti különbség: τaki = t2ki - t1ki = τa - Δt (4.21) Ez azt jelenti, hogy a szűrő után az impulzus hosszúsága kisebb lesz annál, ami a bemenetére jutott (τaki < τa). A kompressziós arány (a kisugárzott és összenyomott impulzushossz aránya) egyenlő az adóimpulzus idejének és sávszélességének szorzatával. Ezt a módszert nagytávolságú felderítő lokátorok távolságfelbontóképességének növelésére használják. A lineáris frekvenciamodulációt alkalmazó berendezést „csipogó” (angolul: chirp) lokátornak nevezik. 4.3.4 Fáziskód-modulált lokátor

A fáziskód-modulációt végző áramkör szintén impulzus-kompressziót végez, mint az előző pontban leírt analóg áramkör, de ez a jelfeldolgozó egységben található. A digitális impulzuskompresszió legegyszerűbb módja, ha binárisan fázis kódolt jelalakokat használunk. A kisugárzott impulzusokat azonos hosszúságú impulzusokra osztjuk, ahol az egyes részimpulzusok kezdőfázisát kapcsoljuk a kódnak megfelelően 0 vagy π értékűre (4.13 ábra), azaz egy bináris fáziskapcsolásos jelet (BPSK) képezünk. A részimpulzusok száma a kompressziós aránnyal egyezik meg. „1”

Im

„π” fázisú erősítő

„1” kód fa

Telj. erősítő

Adó oszcillátor

-1

ϕ=π

„0” fázisú erősítő

„0” kód +1

Re

ϕ=0

„0” Időzítő egység

Kód generátor

4.13. ábra Impulzusüzemű, bináris kódmodulált adású lokátor elvi felépítése

Az 4.13. ábrán látható fáziskód-modulált lokátor működését az időzítő egység indítja el. A kód generátor az előre meghatározott, un. Barker kód szerint, vezérli azt, hogy az adó oszcillátor fa frekvenciájú jele melyik fázisú erő- 100 -


sítőn menjen keresztül. A teljesítményerősítő feladata a jelet a kisugárzáshoz szükséges szintűre erősíteni. Az 4.14. ábrán látható az adó által kiadott bináris kódsorozat. Ez a hét tagból álló kódsorozat nem egy véletlen sorozat, hanem egy gondosan megtervezett kód, amit úgy tervezetek meg, hogy az összes részimpulzus beérkezésekor a vevőbe a vett jel maximális legyen. A vevőben lévő kompressziós áramkör (4.15. ábra ) valósítja meg az egymás után következő kódok szükséges késleltetését, megfelelő fázisú erősítését és összegzését. A késleltető áramkör egy shift-regiszter-lánc. Az erősítők azonos mértékben, de eltérő fázisban erősítenek (a „–1”-el jelöltek 180°-os fázisfordítást végeznek, míg a „1”-el jelöltek nem fordítanak fázist). Az öszszegzőről az adott pillanatig beérkező kódok összege jut a kimenetre. Ua(t) 1

0

1

1

0

0

0 t

0 0 0 0 π π π (-1) (+1) (-1) (-1) (+1) (+1) (+1)

Uki(t)

τ t

τa

A teljes jel beérkezése után

4.14. ábra A fáziskód-modulált lokátor adójának és vevőjének a kimenő jele

Az 4.15. ábrán látható áramkör működése a következő. Az első beérkező kód „1”, aminek a fázisa π, az abszolút értéke –1. Az erősítő a jel fázisán nem változtat, így az összegzőről egy π fázisú, -1 abszolút értékű jel jut a kimenetre. A második beérkező kód „0”,aminek a fázisa 0, az abszolút értéke +1. Az előző „1”-es kód a késleltető áramkörről a fázist nem fordító erősítőn keresztül a „0” kóddal együtt az összegzőre jut. A két jel összeg 0 lesz. A hetediknek, egyben utolsónak, beérkező jel esete van feltüntetve az 4.15. ábrán. A elsőnek beérkező „1”-es fázistoló, a második „0” fázist nem toló, a harmadik „1”-es fázistoló, a negyedik „1”-es fázistoló, az ötödik, hatodik és a hetedik „0” fázist nem toló erősítőn keresztül jut az összegzőre. Az első kód 6xτ, a második 5xτ és így tovább késleltetést szenved. Az összegzőről a hét jel összege fog a kimenetre jutni. Ez a maximális jel csak ebben az esetben jelenik meg a kimeneten, minden más kombináció vagy 0, vagy 1 kimenő amplitúdót eredményez a kimeneten. - 101 -


Ezzel a módszerrel növelhető a lokátor távolságfelbontó-képessége, mert a teljes kód beérkezésekor keletkező maximális jel csak τ szélességű, szemben a teljes kód τa szélességével. Az adott jelre igaz: τa = 7 ⋅τ (4.22) Az 4.22-et τ-ra rendezve:

τ=

τa

(4.23) 7 Ami azt jelenti, hogy a lokátor felbontó-képessége a hétszeresére nő. Emellett a jel energiáját is a hetedére lehet csökkenteni, ami az adó teljesítményének csökkenését jelenti, adott hatótávolság esetén, mert a maximális jel olyan, mintha hét kisebb energiájú lokátor jele adódna össze. Uv(t) Késleltető vonal 6xτ 0 0 1 1

0 0 1

0 0 1

1

1

1 π -1

1 π -1

-1

-1

0 0 1 1

1 π -1

kód fázis vektorérték

-1

Összegző Uki(t) 4.15 ábra Kompressziós áramkör impulzusüzemű fáziskód-modulált lokátor vevőjében

4.3.4.1

Impulzusrendszerű lokátorok előnyei és hátrányai

Előnyei: az elérhető nagy hatótávolság, nagy információsebesség, több cél egyidejű mérésének lehetősége, egyetlen antenna alkalmazása. Hátrányai: bonyolult felépítésű, nagy adóteljesítmény és vevő sávszélesség szükséges. Alkalmazásuk: mozgó földi és vízi célok felderítésére és bemérésére, légi célok felderítésére és bemérésére, vadászirányításhoz, rakétairányításhoz, légvédelmi lövegek, aknavetők, tarackok bemérésére, saját tüzérségi tűz helyesbítésére, célzott bombavetés végrehajtásához, atomrobbanások epicentrumának bemérésére, repülő navigációhoz, repülőgépről az ellenséges repülőgépek és földi céltárgyak bemérésére, időjárás meghatározáshoz szükséges adatok mérésére, polgári életben a repülőgépek, hajók forgalmának irányítására, mesterséges holdak pályakövetéséhez.

- 102 -


4.4 A KERESŐ (FELDERÍTŐ) LOKÁTOR A lokátoroknak két alapvető feladatuk van. Az egyik a keresés (detektálás), a másik követés (mérés). A kereső lokátor feladata a keresés, a detektálás, ami annyit jelent, hogy a céltárgy(ak), vagy objektum(ok) jelenlétét kell kimutatni egy adott térrészben. A mérő lokátorral mérhetjük a céltárgy helyzet-paramétereket (helykoordináták, mozgásparaméterek), vagy a reflexiós jellemzőket (céltárgy hatásos keresztmetszet, nagyság, alak, összetettség, egyéb minőségi jellemzők). 4.4.1 A kereső lokátor feladata

A kereső lokátor feladat, hogy adott idő alatt, adott térrészben lévő céltárgyakat felderítsen (detektáljon), és meghatározza azok helyzetadatait. Működése során megválasztott antennanyalábbal és modulációs móddal térelemenként vett jeleket különböztet meg (alkalmas döntési eljárással) az egyidejűleg fellépő zavarjelektől. A lokátor jóságát a döntéshez rendelkezésre álló jel-zaj viszony adja meg. Ha tudni szeretnénk minden egyes lokátor jel-zaj viszonyát, akkor külön-külön ki kell azt mindegyiknél számolnunk. Kérdés, hogyan lehetne ezt az eljárást leegyszerűsíteni, és egy olyan módszert találni, amellyel minden eltérő feladatra készített lokátornak meg tudjuk határozni a jel-zaj viszonyát. Az eljárás a következő: Először kiszámoljuk az ideális esetben elérhető maximum jel-zaj viszonyt, majd figyelembe vesszük az ideálistól való eltérést a különböző veszteségeken keresztül. Ehhez a felhasznált modell: monosztatikus (adó-vevő antenna ugyanaz), impulzus üzemű lokátor, passzív céltárgy esetére vizsgálva, termikus zajban. A lokátor által vett jel egyenlő a vett teljesítménnyel: PG Aσ (4.24) Pv = a a2 v4 (4π ) Rm L ahol Pa - az adóteljesítmény, Ga - az adó antenna nyeresége, Av - a vevő antenna hatásos felülete, σ - a céltárgy hatásos keresztmetszete, Rm - a lokátor maximális hatótávolsága, L - a különböző veszteségek. A bemenő zaj: Pz =kTe B (4.25)

- 103 -

A kereső (felderítő) lokátor

ahol k - a Boltzmann állandó (1,38 ⋅ 10-23

Ws ), o K

Te - a rendszer zajhőmérséklet, B - a zaj sávszélessége. A döntéshez rendelkezésre álló jel-zaj viszony: 1 P PG Aσ ⎛ J⎞ ⎜ ⎟ = Hi v = Hi a a2 v2 ⋅ ⎝ Z ⎠ er Pz (4π ) Rm L k Te B ahol Hi az integrálási nyereség.

(4.26)

4.4.2 Az ideális kereső lokátor

4.4.2.1

Ideális integrátor

Egy céltárgyról általában nem csak egy visszavert jelet, hanem többet is kaphatunk. Ha ezeket a jeleket összeadjuk, azaz integráljuk, akkor jel-zaj viszonyjavulást érhetünk el. Ilyen integrálási eljárás lehet például a video integrálás. Ha ideális az integrálás, akkor a céltárgyról a vevőnkbe érkező összes jelet integrálni tudjuk. A valóságos esetben ez nem lehet mindig teljesíteni, mert érheti a visszavert jelet olyan zavar, vagy csillapítás, hogy a lokátor vételi küszöbét nem haladja meg, vagyis az integráláshoz nem tudjuk felhasználni. Ideális esetben minden vett mintát fel tudunk használni, ezzel az integrálási nyereség: Hi = M (4.27) ahol M a vett minták száma. 4.4.2.2

Ideális antenna

Az antenna akkor ideális, ha : - csak adott térszögbe és egyenletesen sugároz, - apertúra hatásfoka 100 %. Az ideális antennának az iránykarakterisztikája egyenletes, és csak egy adott térszögben létezik. Az ilyen antenna a térnek csak egy adott térszögből, de onnan egyforma intenzitással, tud minden céltárgyat venni. Ezzel szemben a valóságos antennáknak az iránykarakterisztikája szivar alakú, ezért a tér különböző irányaiból különböző intenzitással képesek csak venni. Emellett fellépnek még mellékhurkok is, amelyek hatására nem csak a főirányból, hanem a mellékhurkok irányából is vesz az antenna, ami komoly zavaró jelet eredményezhet.

- 104 -


Az ideális és a valós iránykarakterisztika az 4.16. ábrán látható. a.)

b.) 4.16. ábra A valóságos (a) és az ideális (b) iránykarakterisztika

Ideális iránykarakterisztika esetén az antenna nyeresége: 4π Ga = (4.28) Ψa ahol ψa az a térszög, ahonnan az antenna. Az apertúra hatásfokát az antenna hatásos- és geometriai felületének hányadosa adja meg: A η a = v ⋅100 % . (4.29) Ag Az 4.6 egyenlet alapján a hatásfok csak akkor lehet 100 %, ha a hatásos felület egyenlő a geometriai felülettel, ami azt jelenti, hogy az antennának a teljes felületét hatásos felületként vehetjük számításba. 4.4.2.3

Ideális letapogatás

Ideális a letapogatás akkor, ha a lokátor által letapogatandó térrészt (Ψl) átlapolódás és hézagmentesen fedi le az antenna a térszögelemekkel (Ψa). Ψa

Ψa

Ψa

a.) letapogatás átfedéssel

Ψl

b.) hézagos letapogatás

Ψl

c.) ideális letapogatás

4.17. ábra A térrész letapogatása

Egy adott lokátornál meghatározható az a térrész (Ψl), amit a berendezés képes letapogatni. Ezt a lokátor maximális és minimális hatótávolsága, és az oldal és az emelkedési szög szerinti mérési maximuma határozza meg. Ebben a térrészben az egymástól független térszögelemek száma: Ψ Na = l (4.30) Ψa A letapogatáshoz szükséges idő: Tl = N a ⋅Ti (4.31) ahol Ti az impulzusismétlődési idő. - 105 -


meg:

Az impulzusismétlődési időt a maximális hatótávolság (Rmax) határozza

1 2 Rmax = (4.32) fi c ahol fi az impulzusismétlődési frekvencia és c a fénysebesség. Behelyettesítve 4.31 egyenletbe 4.30-at és 4.31-et, megkapjuk a letapogatáshoz szükséges időt a térrésszel, a térszöggel és az impulzusismétlődési frekvenciával, illetve impulzusismétlődési idővel kifejezve: Ψ 1 Ψ (4.33) Tl = l ⋅ = l ⋅ Ti Ψa f i Ψa A 4.33 egyenletet Ψa-ra (a térszögre) rendezve: Ψ Ψa = l Ti (4.34) Tl Ezt az egyenletet majd a 3.4.2.8 pontban fogjuk felhasználni. Ti =

4.4.2.4

Illesztett vevő

Az ideális impulzus üzemű lokátorokban ideális négyszög impulzusokat alkalmazunk adáskor. Az ideális négyszög impulzusnak azonban végtelen a spektruma. A végtelen spektrum átvitele természetesen lehetetlen, ezért a jelnek korlátozni kell a sávszélességét, ami jeltorzulást eredményez. Meg kell tehát találni azt, hogy mennyire korlátozzuk le a sávszélességet ahhoz, hogy még megfelelő legyen a jel alakja, de ne legyen túlságosan nagy a sávszélessége sem. A szűrő abban az esetben van a jelre illesztve, ha a sávszélessége az impulzus idejének reciprokával egyenlő: 1 B= (4.35)

τa

4.4.2.5

Nincs terjedési veszteség

A légkörnek minden esetben van valamilyen csillapítása, aminek a mértéke sokféle tényezőtől függ. Ideális az lenne, ha ez a csillapítás nem lépne fel. 4.4.2.6

Berendezések ideálisan jók

A lokátor berendezéseket valamilyen paraméterek teljesítésére tervezik. Ideális esetben a berendezés minden körülmények között, és mindig teljesíti ezeket a paramétereket.

- 106 -


4.4.2.7

Kezelők ideálisak

Ha lokátor kezelők jól kiképzettek, jó pszichikai állapotúak és kipihentek, akkor kis valószínűséggel vétenek hibát, sőt ideális esetben egyáltalán nem hibáznak. 4.4.2.8

Eredő ideális jel-zaj viszony

Az eredő ideális jel-zaj viszonyt megkapjuk, ha a 4.26 egyenletbe a nyereség (Ga) helyébe 4.28-at, az 4.28-ban szereplő Ψa helyébe 4.34-et, az Av helyébe Ag-t, B helyébe 4.35-öt helyettesítjük: Pátl Ag Tl σ ⎛ J⎞ ⋅ (4.36) ⎜ ⎟ = ⋅ 4 ⎝ Z ⎠ er id k 4π Rmax Ψl Te Pτ ahol Pátl = a a az un. átlagteljesítmény. Ti

σ

hányadost külső feltételnek nevezzük, mert a σ és a k érték tők lünk független, hiszen az első a céltárgy tulajdonságaitól függ, a második pedig a Boltzmann-állandó, ami egy fizikai állandó. Tl A hányadost taktikai feltételnek nevezzük, mert azt, hogy 4 4π Rmax Ψl az adott lokátornak mekkora legyen a hatótávolsága (Rmax), mekkora térrészt (Ψl,), mennyi idő alatt (Tl) tapogasson le, azt mi határozhatjuk meg, mielőtt egy lokátort megtervezünk. P A A átl g kifejezés a berendezésre jellemző. Ebben szerepelnek azok a Te paraméterek, amik ahhoz szükségesek, hogy a lokátor teljesítse a taktikai feltételben megszabottakat. A 4.36 egyenletből látható, hogy a jel-zaj viszony javítását elérhetjük: - az átlagteljesítmény (Pátl)növelésével, - az antenna geometriai méreteinek (Ag)növelésével, - a letapogatásra szánt idő növelésével(Tl), - a felderítési távolság (Rmax) csökkentésével, - a letapogatandó térrész (Ψl)csökkentésével, - a vevő zajtényezőjének csökkentésével. A

- 107 -


4.4.3 A valóságos kereső lokátor

A veszteségek egy része adott rendszer esetén számolható vagy mérhető (légköri csillapítás, tápvonalak vesztesége), más része csak becsülhető (üzemi paraméterek romlása, kezelők pszichikai állapota). Az egyes veszteségek értéke általában kicsi, de összegzett hatásuk az elméleti hatótávolságot jelentősen, esetenként a felére is, lecsökkentheti. 4.4.3.1

Integrálási veszteség (Li)

Ideális integrálás esetén a céltárgyról vett minden rendelkezésre álló mintát (M) integrálni tudjuk. A valóságban az egy céltárgyról vett különböző impulzusok eltérő jel-zaj viszonnyal érkeznek a vevőbe. Ha a beérkező jel nem haladja meg a vevő érzékenységét, akkor az nem hasznosul az integrálás során. Az integrálási veszteség: M Li = (4.37) Hi Ha az integrálási nyereséget Hi = Mγ alakban írjuk fel, akkor az integrálási veszteség: Li = M(1-γ) (4.38) Ha γ = 1, akkor Li =1 érték adódik, ebben az esetben nincs veszteség. A gyakorlatban megvalósítható video integrátor jósága γ < 1, ezért Li>1. Li [dB] 14 12 10 γ = 0,5 8 6 4

γ = 0,8

2 0

M 1

2

4

6

10

20

40

100

200

400

1000

4.18. ábra Az integrálási veszteség a visszavert minták függvényében

Video integrátor esetén az integrálási veszteség 10 < M < 100 intervallumban gyakorlatilag megegyezik a demodulátor veszteségével. - 108 -


Az integrálási veszteség oka a burkoló detektor. A burkoló detektornak két típusát különböztetjük meg, a lineáris és a négyzetest. kAD ⋅ vl

vbe

ud

4.19. ábra A burkoló detektor modellje.

A burkoló detektor kimenő feszültsége: l ud = k AD [ v ( t )] (4.39) ahol kAD a demodulátor hatásfoka, ami a demodulátor alkatrészeitől függ, szokásos értéke 0,5 – 1 között van. Az l kitevő értéke nagy jelek esetén l ≅ 1 (lineáris burkoló demodulátor), kis jelre l ≅ 2 (négyzetes burkoló demodulátor). A burkoló detektor esetén a rádiófrekvenciás jel-zaj viszony (a demodulátor bemenetére jutó jel-zaj viszony) egy küszöb értéke alatt a kimenő jel-zaj viszony gyorsabban romlik, mint a bemenő. Ez a küszöbérték meg van bármilyen karakterisztikájú burkoló demodulátorban. 4.4.3.2

Antennaveszteség (La)

Az antennaveszteséget két dolog okozza: - nem ideális az antennanyaláb, - nem ideális az apertúra megvilágítása. Az antennaveszteséget a iránykarakterisztika szivaralakja okozza, mert az ideális a négyszögletes antennanyaláb lenne. A hatótávolság számításánál az antennanyereség maximális értékét vesszük figyelembe, de a gyakorlatban az antenna nyeresége az oldal és emelkedési szög függvénye Ga(β,ϑ). Ebből következik, hogy egy célról visszavert jelek amplitúdója nem állandó, hanem modulálva van az antenna sugárkarakterisztikával, miközben az „végigsöpör” a célon. Ha a visszavert jeleket integráljuk, és a maximális amplitúdóval számolunk, akkor az elkövetett hibát L'a = 1-1,5 dB veszteséggel számíthatjuk. A valóságos antenna megvilágításánál nem törekszünk arra, hogy az teljesen egyenletes legyen az egész antennán, mert akkor túl nagy lenne az antenna hátrasugárzása. Az antennát úgy világítjuk meg, hogy a szélei felé csökkenjen a megvilágítás amplitúdója. Az ilyen megvilágítás miatt azonban csökken az apertúra hatásfoka. A nem ideális megvilágítás miatt L'a = 1 ÷ 3 [ dB] közötti antenna veszteség értékekkel számolhatunk. 4.4.3.3

A vevőszűrő illesztetlenségéből adódó veszteségek (Lsz)

A szűrő illesztetlenségéből adódó veszteség értéke a szűrő átviteli karakterisztikájának a függvénye. Akkor illesztjük a jelre tökéletesen a vevőt, ha

- 109 -


a szűrő átviteli függvénye (|H(ω)|) a bejövő jel komplex konjugáltjával egyenlő. Ennek a teljesítésére ökölszabály az, hogy a jel sávszélességének és az adó impulzusának szorzata 1 legyen (B ⋅ τa =1). A 4.20. ábrán látható a szűrő illesztetlenségéből adódó veszteség τa szélességű középfrekvenciás impulzus burkoló demodulálása esetén, különböző átviteli karakterisztikájú szűrőkre a B ⋅ τa függvényében. Lsz [dB] 10 8 Gaussi szűrő

6 RLC kör

4 Négyszög kar. szűrő

2 Illesztett szűrő

0 0

1,0

2,0

3,0

→ B⋅τa

4.20. ábra A vevőszűrő illesztetlenségéből adódó veszteség

4.4.3.4

Egybeesési veszteség (Le)

Az egybeesési veszteség akkor keletkezik, ha a hasznos jelet tartalmazó zajos csatorna kimenő jele más független zajt adó csatorna jeleivel keveredik az integrálás előtt. Ez akkor fordul elő, amikor a térképező indikátornál több vevő video-jelét keverjük össze, amelyek különböző emelkedési szögön lévő antennanyalábokból származnak. A veszteség az egybeesési arány (δ) függvénye lesz: m+ n δ= (4.40) n ahol n – a hasznos jel + zaj minták száma, m - a keveredő független zajminták száma.

- 110 -


1. Vevő

Összegző

2. Vevő

H0 Döntő H1

3. Vevő

Uküszöb

4.21. ábra Egybeesési veszteség kialakulásának okai

4.4.3.5

Atmoszféraveszteségek (Latm,)

Az atmoszféra csillapításának oka a levegő vízgőz- és oxigén tartalma, illetve a csapadék (eső, hó, köd és felhők). A légköri csillapítás nagymértékben a frekvencia és az emelkedési szög függvénye (ld. 2.9. ábra). A csillapítás a frekvenciával egyenes arányban nő, azaz minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a csillapítás. Az emelkedési szög és a csillapítás között fordított az arányosság. Kis emelkedési szöghöz nagy csillapítás, nagy emelkedési szöghöz kis csillapítás tartozik. Ennek oka, hogy kis emelkedési szög esetén a jelnek hosszabb utat kell megtennie a légkör sűrűbb, azaz jobban csillapító részében, mint nagy emelkedési szög esetén. A légkör csillapítása 1 GHz-ig elhanyagolhatóan kicsi. Az atmoszféra csillapítása 10 GHz felett már számottevő lehet abban az esetben, ha nem tiszta a légkör (valamilyen csapadék, vagy köd esetén). 4.4.3.6

Üzemi veszteség (Lü)

A terepen üzemeltetett lokátorok műszaki jellemzői (adási energia, zajtényező, optimális küszöbszint, stb.) jelentősen eltérhetnek az adott típus gyári új berendezésre előírt értékekhez képest. Csillapítást okozhatnak még a nem ideális tápvonalak, a rossz csatlakozások és az adás-vétel kapcsoló is. 4.4.3.7

Kezelői veszteség (Lk)

A kezelő fizikai és pszichikai állapotától függően 1-7 dB nagyságú lehet a kezelői veszteség értéke (kezelők által végzett detektálás esetén). Ez a veszteség abból ered, hogy a kezelők nem döntenek mindig optimálisan. 4.4.3.8

Eredő veszteség (L)

L = Li ⋅ La ⋅ Lsz ⋅ La ⋅ Le ⋅ Latm ⋅ Lü ⋅ Lk

- 111 -

(4.41)


Az L értéke kedvezőtlen esetben 15-20 dB is lehet, ami már jelentősen csökkenti a lokátor jel-zaj viszonyát. Ez az oka annak, hogy nem tudunk olyan lokátor berendezést készíteni, ami minden lokátorokkal megoldható feladatot meg tudna oldani. Csak azt tudjuk megtenni, hogy ha már eldöntöttük azt, hogy mire szeretnénk a lokátort alkalmazni, akkor „kihegyezzük” azokat a paramétereket, ami az adott feladat ellátásához a legfontosabb, és a többi paraméternek már nem kell annyira jónak lennie. 4.4.4 A kereső lokátor általános felépítése

Az 4.22. ábrán látható a kereső lokátor általános felépítése. A lokátor működése a következő. A lokátor működésének az időzítését minden impulzusüzemű lokátornál egy időzítő egység végzi. Ez indítja el az adót, időzíti a kijelzést és a középfrekvenciás erősítést. Magnetron

Antenna

Duplexer

Elektromos tengely Csillapító Modulátor

Impulzusformáló

NF erősítő

AFC

Keverő

Helyi oszcillátor

KF erősítő

STC

Video detektor

Távolsági lépték jel

Távolsági kitérítő jelg.

4.22. ábra A kereső lokátor tömbvázlata

- 112 -

Oldal lépték jelgen.

IAGC

Időzítő egység

Video erősítő

Impulzus keverő


Az impulzus formáló alakítja át az időzítő jelét a megfelelő formájúra. A modulátor kiadja a magnetron indításához szükséges τa ideig tartó egyenáramú impulzust. A magnetron egy olyan különleges dióda, amely a ráadott egyenáram hatására nagyfrekvenciás rezgést képes kiadni. A magnetron által előállított nagyteljesítményű és nagyfrekvenciájú jel a duplexeren (adás-vétel kapcsoló) keresztül az antennára jut. Ahhoz, hogy a lokátor képes legyen, a távolságmérés mellett, a radiális sebesség mérésére is, szükségünk van arra, hogy megőrizzük a vétel idejéig azt a frekvenciát, amin a magnetron berezgett. A magnetron frekvenciája nem stabil, minden esetben más és más frekvencián rezeg be, természetesen egy szűk frekvenciasávon belül. Az adás frekvenciáját úgy őrizzük meg, hogy a magnetron jelét egy csillapítón keresztül az AFC áramkörre vezetjük. A csillapításra azért van szükség, mert az adó jel nagy teljesítményű, amit nem lehetne közvetlenül az AFC áramkörre engedni. Az AFC áramkör úgy szabályozza a helyi oszcillátor frekvenciáját, hogy a vett frekvencia, függetlenül az értékétől, mindig a KF frekvenciára keveredjen le a keverés után. A céltárgyról visszaverődött jel az antennáról a duplexeren keresztül a nagyfrekvenciás erősítőre jut. Ennek a feladata, hogy a gyenge jelet a keveréshez szükséges szintűre erősítse. A keverő, a helyi oszcillátor segítségével középfrekvenciára keveri le a vett jelet. A középfrekvenciás erősítést kétféle módon is szabályozzuk. Az egyik az STC (Sensitivity Time Control). Erre azért van szükség, mert a lokátor közelében lévő helyi tereptárgyakról visszavert jelek károsan nagy amplitúdóval érkezhetnek a vevőbe, ezzel telítésbe vihetik az indikátort, ezáltal megnehezítik a célok követését. Az időbeli erősítésszabályozás a letapogatási periódusnak megfelelő időintervallumokban a vevő erősítési tényezőjének a megváltozásán alapul. A lokátor kisugárzásának pillanatában a vevő erősítési tényezője minimális, és fokozatosan változik a maximális értékig. Így a különböző távolságban lévő, azonos hatásos felületű célokról érkező jelek a KF erősítő után már azonos amplitúdóval jutnak a további fokozatokra, és az indikátorokon azonos intenzitással jelennek meg. A másik az IAGC (Instantaneous Automatic Gain Control). Az IAGC olyan erősítésszabályozás, amely a nagy amplitúdójú impulzuszavaroktól védi a vevőt. Az IAGC áramkör lényegében olyan automatikus erősítésszabályozó áramkör, amely a zavarójel hatására szabályoz. A zavarójel amplitúdójának növekedésével nő a szabályozott csövek rácselőfeszültsége. Így a szabályozott előfeszültség értéke mindig arányos a zavarójel amplitúdójával. Ezért a hasznos és a zavarójel eredőjének burkolója mindig az Ia-Ug csőkarakterisztika azonos szakaszára esik. A video detektor demodulálja a jelet. A többi áramkör feladata az indikátoron való megjelenítés vezérlése.

- 113 -

A követő (mérő) lokátor

4.5 A KÖVETŐ (MÉRŐ) LOKÁTOR A követő lokátor feladata a kiválasztott céltárgy, vagy céltárgyak helyzetparamétereinek folyamatos mérése, előfeldolgozása továbbításra. Működése során a követő lokátor a mért jelet összehasonlítja egy referens jellel, a két jel különbségével hibajelet képez, amivel módosítjuk a referens jelet, hogy a hiba minimális legyen. A követő lokátor jóságát megadja a mért paraméter pontossága (a hiba effektív értéke, a szervorendszer tranziens viselkedése, követési-keresési tartomány stb.). A mérő lokátor egy zárt hurkú visszacsatolt, sőt többszörösen visszacsatolt rendszer (pl. az antenna vezérléséhez, az erősítés szabályozásra, adóvevő frekvenciája közötti különbségképzésre alakítanak ki egy hurkot). A szabályozás során mindig arra törekszünk, hogy a hibajel minél kisebb legyen. Mivel a hibajel a követő jel, ezért az értéke soha sem lesz nulla, csak nagyon kicsi értéke. A szabályozásnak három fajtáját alkalmazzák a mérő lokátorokban: - kézi szabályozás, - segített követés - automatikus szabályozás. A kézi szabályozás esetén az ember végzi a szabályozást. Jellemzője, hogy lassú, mert benne van ember, de ez egyben előnye is, mivel így a szabályozás adaptív és intelligens. A segített követést azért találták ki, mert a követés nagy energiákat követel, ezt csökkentendő találták ki ezt az eljárást. A működés lényege, hogy a szabályozás beállított sebességgel automatikusan indul el egy irányban. Ha a paraméterekben változás áll be, akkor az új értékeknek megfelelően kell beállítani az automatikus szabályozást. Ebben a rendszerben még mindig benn van az ember, aki figyeli a változásokat, ha szükséges, akkor belenyúl a rendszer működésébe. Az automatikus követés esetén az ember már teljesen ki van iktatva a működésből, a céltárgy(ak) követése teljesen önműködően történik. Hiba fajták: - pozíció hiba, - sebesség hiba, - gyorsulás hiba. A pozíció hiba a szögmérés során keletkező hiba. A sebesség- és gyorsulás hibák a szabályozó rendszer tranziens viselkedésből erednek, ezért ha a tranziensek lefutása lassú, akkor a sebesség- és gyorsulási hiba is nő.

- 114 -


R, β, ϑ, vr

Céltárgy helyzet adatok

Rádió berendezés (adó, vevő)

Hibajelképző áramkör

R, β ϑ vr

Referens jelek

magasságAntenna oldal mozgatás

ωa - ωHO

Video jelek

Távolsági kapujel

Beavatkozó egység

Átalakító áramkör

4.23. ábra A célkövetés elvi sémája

A követő lokátor működésének elvi vázlatát a 4.23. ábra mutatja. A lokátor veszi a céltárgy helyzetadatait (ferdetávolság, oldal- és emelkedési szög, relatív sebesség). A jelek bejutnak a rádió berendezésbe, ennek kezünkben van az adó és vevő jele (meghatározhatjuk a modulációját, amplitúdó nagyságát, frekvenciáját, stb.). A rádió berendezésben történik meg a vett- és a referens jel összehasonlítása. A két jel különbségéből keletkezik a hibajel. A hibajel képző áramkör visszaszabályoz az összehasonlítás eredménye alapján, valamint erről vesszük le a mért értékeket (ferde távolság, oldal- és emelkedési szög, relatív sebesség). Az átalakító áramkör átalakítja a hibajelet olyan jellé, amit a beavatkozó egység fel tud használni. A beavatkozó egység a hiba értékének megfelelően állítja a referens jelet, illetve szabályozza a rádió berendezés működését. A követő eljárásnak háromféle típusa van: - szögkövetés, - távolságkövetés - sebességkövetés. 4.5.1 Szögkövetés

A szögkövetési módszerek: - iránykarakterisztikával, - minimum módszerrel, - kúpos letapogatással, - monopulse eljárással. 4.5.1.1

Szögkövetés iránykarakterisztikával

Az iránykarakterisztikával való követés (mérés) során a lokátornál a kiválasztott céltárgyra egy keskeny (és általában kör keresztmetszetű) antenna-

- 115 -


nyalábot irányítunk. A mechanikusan mozgatott antennák esetén az időben állandóan, az elektronikusan mozgatott nyaláb esetén pedig időszakosan.

4.24. ábra Követés iránykarakterisztikával

A módszer a szögmérési eljárásoknál, a 2.4.2.1 pontban ismertetet, maximum mérési módszerrel egyezik meg. Az eljárás hátránya, hogy a maximum környékén az iránykarakterisztika csak nagyon kicsit változik, ezért ez az eljárás pontatlan. 4.5.1.2

Szögkövetés minimum módszerrel

Ez a módszer a maximummérési módszer mérési pontatlanságát van hivatva kiküszöbölni. Az eljárás kiküszöböli ugyan a maximum mérési módszer mérési hibáját, de amiatt, hogy a karakterisztikának nem a maximumánál mérünk, ezért lecsökken a lokátor hatótávolsága.

4.25. ábra Követés minimum módszerrel

A módszer teljesen megegyezik a 2.4.2.2 pontban ismertetett minimum mérési módszerrel. A módszer előnyei is hátrányai megegyeznek a pontban leírtakkal. 4.5.1.3

Szögkövetés kúpos letapogatással

A kúpos letapogatással térben, vagyis emelkedési- és oldalszögben egyidőben mérhetjük a céltárgyat. A módszer megegyezik a 2.4.2.3 b. pontban ismertetett mérési módszerrel.

- 116 -


2.

1. 4.26. ábra Követés kúpos letapogatással

4.5.1.4

Szögkövetés monopulse eljárással

A monopulse (egyimpulzus) rendszerű megoldást célok felderítésére, bemérésére és az automatikus követéshez szükséges szöghibajelek előállítására használják. A monopulse rendszer a szöghiba előjelét és nagyságát egyetlen impulzus alapján határozza meg, azonban az impulzusmodulált lokátorokhoz használt egyetlen antenna tápfej helyett többet alkalmaznunk. A különböző tápfejekkel vett impulzusok amplitúdóinak és fázisainak összehasonlításából határozható meg a céltárgy szöghelyzete. Síkbeli monopulse rendszer A jelek amplitúdóinak összehasonlításához azonos (vízszintes) síkban két, egymást részben átfedő sugárnyaláb (4.27.a. ábra). Ez létrehozható egyetlen reflektorral, melyet két szomszédos primersugárzó világít meg. A két nyaláb vett jelének összege, illetve különbsége az 4.27. b. illetve c. ábrán látható karakterisztikát adja.

+

a.,

b.,

+

-

c.,

4.27. ábra Monopulse iránykarakterisztikák

Az összeg, illetve különbségi jelet hibrid áramkörben képezzük. Adáskor a két primersugárzót a hibriden keresztül azonos fázisban tápláljuk, s így olyan karakterisztikát kapunk, mint amilyen az 4.27.b. ábrán látható. Vételkor az 4.27.c. ábrának megfelelő mindkét nyalábot használjuk. Az összeg- és különbség jeleket külön csatornákon keveréssel középfrekvenciás sávba transzponáljuk (4.29. ábra, síkbeli monopulse rendszer). Az összegcsa-

- 117 -


torna jele középfrekvenciás erősítés után egyrészt az amplitúdó-detektorra, másrészt a szorzódetektorra jut. Az amplitúdó-detektor leválasztja a jel burkológörbéjét (moduláló görbét), és ez, mint képjel (videojel) az elektronsugárcső függőleges eltérítő lemezére kerülve pl. A-típusú indikáció esetén függőleges kitérítést hoz létre. Ennek alapján meghatározható a cél távolsága. Hibajel

Szögeltérés

4.28. ábra A különbségi csatorna karakterisztikája

A különbségi csatorna jele középfrekvenciás erősítés után a szorzódetektorra (pl. limiter nélküli fázisdetektorra) jut. Ennek kimeneti karakterisztikája a 4.28. ábrán látható, jellegzetes hibagörbe, így az összeg- és különbségi jelek amplitúdóviszonyától függő hibajel adódik, melyet a vízszintes eltérítő feszültséghez keverünk. Adó (+) csatorna Adás-vétel kapcsoló (+)

KF erősítő

Keverő

Hibrid

Helyi oszcillátor

(-)

Távolsági jel

Fázisdetek- Szöghiba tor KF erősítő

Keverő

Detektor

Összegző

Indikátor

(-) csatorna Kitérítő generátor

4.29.ábra Síkbeli monopulse rendszerű lokátor

Ha a szögeltérés zérus, akkor az amplitúdó-detektor jele függőleges, szöghiba esetén pedig az eltérés irányától és nagyságától függően dőlt lesz. Térbeli monopulse rendszer Az emelkedési szög és oldalszög-hibajelet szolgáltató monopulse rendszer tömbvázlata az 4.30. ábrán látható. Működésének lényege megegyezik a - 118 -


síkbeli monopulse rendszerével. Mivel a szöghibát két síkban kell meghatározni, az antennák sugárzási karakterisztikáinak is térbeli elhelyezkedésűeknek kell lenniük. A négy primersugárzó négy, részben egymást fedő sugárnyalábot hoz létre, melyek az antenna tengelyéhez képest szimmetrikusan helyezkednek el. Az iránykarakterisztika adáskor itt is a nyalábok összege. A különbségi karakterisztika képzéséhez először a függőleges síkban lévő szomszédos nyalábok összegét és különbségét képezzük, majd ugyanezt a műveletet a két különbségen és két összegen is elvégezzük. Az emelkedési szöghiba meghatározása végett a kiértékeléshez itt három csatorna szükséges: összegcsatorna a távolság méréséhez, emelkedési szög-különbségi csatorna a emelkedési szög-hibajel, és oldalszög-különbségi csatorna az oldalszög-hibajel kiértékeléséhez.

4.30. ábra Térbeli monopulse lokátor

A két hibajelet az antennavezérlő egységbe vezetve megvalósítható az automatikus célkövetés. 4.5.2 Távolságkövetés

A távolságkövetésnek számos módszere lehet, ebből csak egyet szeretnénk bemutatni az eljárás megértéséhez. Videojelet közvetlenül felhasználó automatikus távolságkövetési eljárást láthatunk a 4.31. ábrán. Idő diszkriminátor méri a referens jelhez képest a jel közepének, csúcsának vagy felfutó élének helyzetét és az időkülönbséggel arányos hibajel vezérli a szervo rendszert, megfelelő jelformálás és szűrés után. A késleltető kimenőjelét használjuk kapujelként a szögkövetéshez és az AGC áramkörhöz is. Így ideális módon mind a három koordinátát az egyetlen kiválasztott céltárgyra folyamatosan mérjük. Az idő diszkriminátor és a kés- 119 -


leltető áramkör megvalósítási módjai határozzák meg a távolságkövető pontosságát és érzékenységét. Kézi szabályozás jelei Vett jel

Uh

Ud Video erősítő

Idő diszkriminátor

Hibajel erősítő

Uref Kapujelek az indikátorhoz és a szögkövetőhöz

Szervohajtás

Késleltetés

Távolság adatok

ref. idő

Indítójel, fi ütemben

4.31. ábra Automatikus távolságkövető rendszer főbb egységei

A kapujel feladata, hogy a lokátort csak akkor engedi működni, amikor a jelek a céltárgy közvetlen környezetéből érkeznek be. Ezzel a módszerrel nagyon sok zavaró jelet ki lehet küszöbölni, mert a lokátor csak akkor vesz, amikor a céltárgyról érkeznek a jelek a vevő berendezésbe. Ukapu

t Ud t Uref t ΔT

T0 Uh

u h = ∫ u d u ref dt Ti

ΔT 4.32. ábra Az automatikus távolságkövetés jelei

A hibajelet (uh)a detektorról érkező (ud) vett jel, és a referens jel (uref) integrálásával állítjuk elő. Abban az esetben, ha a vett jel és a referens jel - 120 -


egybeesnek, akkor a hibajel értéke nulla lesz. Ha a vett jel és a referens jel között időbeli különbség van (a vett jel vagy késik, vagy siet a referens jelhez képest), akkor a hibajel arányos lesz az eltérés nagyságával. Az automatikus távolságkövetés jeleit az 4.32. ábrán láthatjuk. 4.5.3 Sebességkövetés

Folyamatos hullámú, vagy nagy impulzusismétlődési frekvenciájú impulzusüzemű lokátornál a távolságkövetés helyett a fő feladat a sebességkövetés. A sebességkövetésnél különbség van a folytonos hullámú és az impulzusüzemű lokátor működése között. Először vizsgáljuk meg a folytonos hullámú lokátornál a sebességkövetést. 4.5.3.1

Sebességkövetés folyamatos hullámú lokátor esetén.

Az 4.33. ábrán látható sebességkövető rendszer működését először álló céltárgyról visszaverődő jel esetén vizsgáljuk meg. Az adó előállítja az adó frekvenciát (fa), ami az antennán keresztül kisugárzódik. A jel az álló céltárgyról visszaverődik, majd a vevő antennán keresztül a vevő keverőbe jut. Álló céltárgy esetén a visszavert jel frekvenciája (fv) megegyezik a kisugárzott jel frekvenciájával (fv =. fa). Az adó jele eljut a segédkeverőre is, ahol összekeveredik a feszültség vezérelt oszcillátor (VCO) jelével. A segédkeverőről az adó frekvenciájának és a VCO frekvenciájának összege jut a vevő keverőre (fa + fo). A keverés után kialakuló összeg és különbségi jelből a különbségi jelet (/fa + fo/ - fv = fo) erősíti a keskenysávú KF erősítő. A frekvencia diszkriminátor a feszültségvezérelt oszcillátor frekvenciájától való eltérésre érzékeny. Ha a diszkriminátorra jutó jel megegyezik az oszcillátor frekvenciájával, akkor nem ad ki semmilyen szabályozó jelet. fo - fd

fv = fa + fd Keverő

Keskenysávú KF

Frekv. diszkr.

fa + fo + fd Adó fa

Segédkeverő

VCO

4.33. ábra Doppler-frekvenciát követő folytonos hullámú lokáto

- 121 -

fd ki


Mozgó céltárgy esetén a vételi frekvencia nem egyezik meg az adás frekvenciájával, attól a doppler frekvenciával eltér (fv = fa + fd). Ekkor a keverőről lejövő jel frekvenciája: (fa + fo) –(fa + fd) = fo - fd (4.42) A frekvencia diszkriminátorra jutó jel most nem egyezik meg a VCO frekvenciájával. A diszkriminátor az eltéréssel arányos szabályozó feszültséget ad ki. A szabályozó feszültség hatására a VCO frekvenciája a doppler frekvenciának megfelelő értékkel eltér a saját frekvenciájától. A VCO frekvenciájának eltérését mérve megkapjuk a doppler frekvenciát. 4.5.4 Sebességkövetés impulzusüzemű lokátor esetén

Az 4.34. ábrán látható lokátor működését vizsgáljuk meg először álló céltárgy esetén. A modulátorra érkező vezérlő jelé hatására a modulátor kiadja az adó működéséhez szükséges jelet. Az adó a generátor ft frekvenciájú jelét felerősíti, ami az adás-vétel kapcsolón keresztül az antennára jut. Az antenna által kisugárzott jel az álló céltárgyról visszaverődve visszajut az antennára. Álló céltárgy esetén nincs doppler-csúszás, így a vett jel frekvenciája megegyezik az adás frekvenciájával (fv = ft). Az antennáról a jel az adás-vétel kapcsolón keresztül a keverőre jut, ahol összekeveredik a generátor ft-fo frekvenciájú jelével. Az 1.KF. erősítő a különbségi frekvenciát fogja erősíteni, ami ebben az esetben fo lesz. Az 1.KF.ről a jel újra egy keverőre kerül. Ebbe a keverőbe adja a feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) az fo-f2 frekvenciájú jelét. A 2.KF. erősítő a két jel különbségét, az f2 frekvenciát, erősíti tovább. A 2.KF.-ről a jel a diszkriminátorra jut, ami az f2 frekvenciától való eltérést érzékeli. Ha jel nem egyezik meg az f2 frekvenciával, akkor a diszkriminátor az eltéréssel arányos szabályozó feszültséget ad a VCO-ra és arra kényszeríti, hogy újra fo-f2 frekvencián rezegjen. Álló céltárgy esetén a diszkriminátorra jutó jel pontosan f2 frekvenciájú, azért az oszcillátor frekvenciája fo-f2 lesz. A frekvenciaszámláló ilyenkor nem mutat semmit. Mozgó céltárgy esetén a vett jel doppler-csúszást szenved, így az antennára visszajutó jel frekvenciája: fv=ft-fd. Az adás-vétel kapcsolón keresztül most ez a jel jut a keverőre, és ez keveredik össze a generátor ft-fo frekvenciájú jelével. Az 1.KF. erősítőről ez esetben az fo-fd frekvenciájú jel jut a következő keverőre. Ebben a keverőben a jel összekeveredik a feszültségvezérelt oszcillátor fo-f2 frekvenciájú jelével. A 2.KF. által erősített különbségi jel f2-fd frekvenciájú lesz. A diszkriminátorra jutó jel fd-vel eltér az f2 frekvenciától, ezért az az eltéréssel arányos szabályozó jelet ad ki a VCO-nak, aminek a hatására a VCO fo-f2-fd frekvencián fog rezegni. A frekvenciaszámlálón pedig leolvasható a doppler-frekvencia értéke. - 122 -


Trigger Modulátor

fo –f2 -fd

ft – fo Keverő

Adó

Frekv. számláló

ft, ft - fo generátor

ft

ft

Sebesség adatok

ft - fd

1. KF erősítő

Keverő

2. KF erősítő

Diszkri minátor

fo – fd

A/V kapcsoló

4.34. ábra Sebességkövetés impulzusüzemű lokátorral

- 123 -

VCO

Rádiólokátor állomások felépítése, főbb részei.

5 RÁDIÓLOKÁTOR ÁLLOMÁSOK FELÉPÍTÉSE, FŐBB RÉSZEI. A korszerű rádiólokátorok működése az aktív rádiólokáció elvén alapul. Az aktív rádiólokáció a cél elektromágneses hullámokkal való besugárzásával és a célról visszavert energia vételével valósul meg. A rádiólokátor állomások fő egységei a következők (5.1. ábra): - adóberendezés, - antenna tápvonal-rendszer, - adó és/vagy vevőantenna, - vevőberendezés, - indikátor, - antennavezérlő és kijelző rendszer, - áramforrás. Adóantenna Indítás Adó Áramforrás

Antenna vezérlő

Indikátor

Vevő Céljel

Vevőantenna

5.1. ábra A lokátor fő részei

A rádiólokátor állomás főbb részei a következők: - antenna-tápvonalrendszer - adóberendezés - vevőberendezés - indikátor - antenna mozgató rendszer - zavarvédő rendszer.

- 125 -

Antenna-tápvonalrendszer

5.1 ANTENNA-TÁPVONALRENDSZER Antenna-tápvonalrendszeren (5.1. ábra) magát az antennarendszert és azt a hozzá csatlakozó tápvonalrendszert értjük, mely az adóval, illetve a vevővel összekapcsolja. Az antennarendszer feladata, hogy az adó nagyteljesítményű, nagyfrekvenciás impulzusait a térbe irányítottan kisugározza, illetve a céloktól visszaverődött elektromágneses hullámokat nagyfrekvenciás impulzusok alakítsa. A tápvonalrendszer az adó impulzusait az antennára, illetve az antenna által felfogott visszavert jeleket a vevő bemenetére továbbítja. Az eddigiekből kitűnik, hogy rádiólokátorokhoz - néhány típus kivételével adáskor és vételkor ugyanazon antenna-tápvonalrendszert alkalmazzák.

Illesztő elem

Tápvonal

Vevő

Csillapító

AFC


Adásé l

Tápvonal

Adókicsatolás

Mérőműszer

Iránycsatoló

a., Tápvonal

Lassú forgáspont

Tápvonal

A/V kapcsoló

Tápvonal

Adókicsatolás

Illesztő elem

Gyors forgáspont

Antenna

Vevőcsatlakozó

Csillapító

AFC

b, Antenna

Mérőműszer

Iránycsatoló

Vevőcsatlakozó

Illesztő elem

Forgáspont

Tápvonal


c., 5.2. ábra Antenna-tápvonalrendszerek

- 126 -

Y transzformátor

Adókicsatoló


A 5.2.a. ábra a forgáspont nélkül, a 5.2.b. ábra a lassú és gyors forgásponttal, a 5.2.c. ábra többemeletes antenna esetén. Minden antenna-tápvonalrendszerben van adókicsatolás, tápvonal, tápvonal-csatlakozás, adás-vétel kapcsoló, illesztő elem, antenna (sugárzó és reflektor). Ezeken kívül lehetnek még forgáspontok, csillapítók, iránycsatolók, teljesítmény-elosztók, antennaátkapcsolók stb. Az adó nagyteljesítményű, nagyfrekvenciás impulzusait az adókicsatolás segítségével juttatják a tápvonalra. Az adó impulzusai, illetve a céloktól visszaverődött impulzusok a tápvonalon terjednek, amely egyúttal összekapcsolja az antennatápvonalrendszer különböző elemeit is. Az elemek a tápvonal-csatlakozók segítségével csatlakoztathatók. Az adás-vétel kapcsoló lényegében duplexer, amely adáskor az adóval, vételkor pedig a vevővel kapcsolja össze az antenna-tápvonalrendszert. Az illesztő elemekkel adáskor az adó - tápvonal - antenna, vételkor pedig az antenna - tápvonal - vevő optimális illesztése valósítható meg. A forgáspontok (forgáscsatlakozók) lehetnek lassú vagy gyorsforgáspontok. A lassú forgáspont az antenna elforgatását a vízszintes és függőleges síkban, a gyorsforgáspont pedig a sugárzó forgatását nagyobb fordulatszámmal teszi lehetővé. Ilyen forgáscsatlakozók alkalmazása szükséges, ha a sugárzási karakterisztikát a térben lengetnünk vagy forgatnunk kell. Az adó teljesítményének méréséhez, mintafrekvencia levételéhez, valamint az adónak elektromágneses hullámok kisugárzása nélkül való üzemeltetéséhez csillapítók (műantenna) alkalmazása szükséges (a csillapító felemészti az adó energiáját). Iránycsatolók alkalmazása lehetővé teszi az állóhullámarány ellenőrzését. Ha többemeletes antenna emeletei között az adó energiáját el kell osztanunk, akkor teljesítmény-elosztót alkalmazunk. Az antenna-átkapcsoló a tápvonalrendszert vagy a sugárzó antennára, vagy a műantennára (csillapítóra) kapcsolja át.

5.2 ADÓBERENDEZÉS A rádiólokátor adók az adáshoz szükséges modulálatlan vagy modulált nagyfrekvenciás rezgéseket állítják elő. Jellemző paraméterek a teljesítmény, az üzemi frekvencia (vivőfrekvencia) és a moduláció. A rádiólokátorok leggyakrabban frekvencia-, vagy impulzusmodulációjúak. Előbbinél a moduláló jel alakja, frekvenciája és a frekvencia löket, utóbbinál pedig az impulzus időtartama és ismétlődési frekvenciája a jellemző paraméter. - 127 -

Adóberendezés

A folytonos üzemű adók felépítése és működése kis teljesítményük miatt lényegében nem különbözik a rádiótechnikában általánosan használt adókétól, ezért - és elterjedtségük miatt - részletesebben csak az impulzusmodulált adókkal foglalkozunk. Az impulzusmodulált adók (továbbiakban csak adók) nagyteljesítményű, rövid időtartamú, nagyfrekvenciás impulzusokat állítanak elő. 5.2.1 Impulzusmodulált adók főbb részei

Egy nagyteljesítményű rádiólokátor adó nagyfrekvenciás oszcillátorból, előmodulátorból, nagyteljesítményű impulzusmodulátorból, nagyfeszültségű egyenirányítóból és az adó biztonságos működéséhez szükséges vezérlő, reteszelő, védő és jelző áramkörökből áll. A rádiólokátor különböző egységeinek időbeni együttműködését un. indító impulzusok biztosítják. Az adó részére ezeket valamilyen külső rendszer biztosítja. Külső rendszer lehet a rádiólokátor indikátorában levő indítójel-generátor, lehet külön egység, vagy több rádiólokátor együttműködése esetén a szomszédos rádiólokátor indítójel-generátora. A nagyfeszültségű egyenirányítókat részletesen nem ismertetjük, mivel felépítésük és működésük megegyezik a szokásos egyenirányító kapcsolásokkal. Rádiólokátorokban legtöbb esetben háromfázisú, kétutas nagyfeszültségű egyenirányítókat alkalmaznak, feszültségszabályozókkal ellátva. Az előállított nagyfeszültség kV nagyságrendű. 5.2.1.1

Előmodulátorok

Az előmodulátor a modulátort indító impulzusok előállítására, formálására, illetve erősítésére szolgál. Az előmodulátorokat alapvetően két csoportba sorolhatjuk. Az egyik az indító impulzusokat csak formálja, a másik pedig elő is állítja. Az előbbi megoldású előmodulátorokat abban az esetben alkalmazzák, ha az indító impulzusokat külső berendezés állítja elő (pl. a rádiólokátor szinkronizátora). 5.2.1.2

Impulzusmodulátorok

Az impulzusüzemű rádiólokátorokban alkalmazott modulátorok feladata, hogy rövid időtartamú, nagyfeszültségű, nagyteljesítményű négyszögimpulzusokat biztosítsanak az oszcillátorok működtetésére, az adás időtartamára. Rádiólokátorok adóiban az impulzus-modulációt rendszerint úgy valósítják meg, hogy a modulátor által biztosított impulzus képezze az oszcillátorcső anódfeszültségét. Emiatt nemcsak az impulzus teljesítményével, hanem alakjával szemben is szigorú követelményeket támasztanak, me- 128 -


lyeket az oszcillátor típusa, a távolság szerinti felbontóképesség, a minimális hatótávolság alapvetően meghatároz. Valamely oszcillátor hatásfoka, frekvenciája, teljesítménye és zajszintje függ az anódfeszültségtől, ezért fontos, hogy az impulzus felfutó (első) éle meredek, a tetőesés minimális legyen. Ugyanakkor az impulzus túlzott meredeksége esetén az oszcillátor rezgései esetleg nem fejlődnek ki. Ezek szerint az impulzus felfutó éle csak olyan meredek lehet, melynél az oszcillátor még biztosan berezeg. Ezzel csökkenthető az oszcillátor zaja, és növelhető a hatásfoka. A továbbiakban a minimális tetőeséssel növelhető az oszcillátor frekvenciastabilitása, ami rendkívül lényeges szempont, mivel az oszcillátor terhelése (az antenna-tápvonalrendszer) frekvenciafüggő. Tűzvezető rádiólokátorok indikátorain, de általában minden helyzet modulációs indikátoron a célok távolságát a reflektált impulzusok kezdeténél olvassák le. A leolvasás annál pontosabb, minél meredekebb az impulzus felfutó éle. Ugyanakkor az impulzus meredekségének növelése a vevő sávszélességének növelését teszi szükségessé. Az impulzus lefutó (hátsó) élének meredeksége az oszcillátor paramétereinek változásán kívül a minimális mérési távolságot, sőt a távolság szerinti felbontóképességet is befolyásolja. Ezt egyrészt τi, másrészt a zajszint növekedése okozza. Minél meredekebb az impulzus hátsó éle, annál kisebb a minimális mérési távolság és a távolság szerinti felbontóképesség (ha az egyéb befolyásoló tényezőket konstansnak tekintjük). A rádiólokátorokban alkalmazott modulátorok működése alapvetően két szakaszra bontható, nevezetesen az energia felhalmozására, és az oszcillátoron keresztül való kisütésére. Előbbi az adásszünetnek, utóbbi pedig az adásnak felel meg. Ennek megfelelően valamely modulátor az energiatároló elemből, a töltő impedenciából, a töltéshez szükséges áramkörből, illetve kisütő (kapcsoló) elemből és a kisütő áramkörből áll. 5.2.1.3

Modulátorok reteszelő és jelző áramkörei

Modulátorok reteszelő, jelző áramkörei általában a következő feladatokat láthatják el: - a modulátorcsövet lezáró negatív feszültség kimaradása esetén egy minimál jelfogó a nagyfeszültséget kikapcsolja, - a modulátorszekrény ajtajának kinyitásakor a nagyfeszültségű áramkört érintkezők megszakítják, és a nagyfeszültségre töltődött kondenzátorokat kisüti valamilyen elektromágnes érintkezője, - túláram esetén maximál jelfogó érintkezője kikapcsolja a nagyfeszültséget, - időjelfogó biztosítja a csövek kellő felfűtését a nagyfeszültség bekapcsolása előtt,

- 129 -

Vevőberendezés

- az indító impulzus kimaradása esetén egy jelfogó érintkezője kikapcsolja a nagyfeszültséget, - jelfogó rendszer biztosítja a fűtés, előfeszültség, nagyfeszültség bekapcsolási sorrendjét, - mérőműszerek lehetővé teszik egyes feszültségek (előfeszültség, nagyfeszültség stb.) és áramok (magnetron átlagárama, fűtőáram stb.) indikálását. - jelfogó rendszer biztosítja a modulátor távvezérlését. - i. különleges érintkezők biztosítják a nagyfeszültség kikapcsolását a hűtés kimaradása esetén. 5.2.1.4

Oszcillátorok

A nagyfrekvenciás oszcillátorok elvi működése a mikrohullámú technika témakörébe tartozik, ezért e fejezetben csupán néhány gyakorlati vonatkozású kérdéssel foglalkozunk. A rádiólokátorokban alkalmazott adóoszcillátorok közé leggyakrabban a magnetronok és a síktriódás üregrezonátoros oszcillátorok tartoznak. Újabban a nagyteljesítményű klisztronokat, valamint a magnetronnál jobb paraméterekkel rendelkező fázitronokat és amplitronokat is felhasználják. Az oszcillátorokkal szemben támasztott követelmények általában a nagy teljesítmény, a jó hatásfok, a nagy frekvenciastabilitás, a kis zajtényező, a meredek impulzus és a könnyű hangolhatóság.

5.3 VEVŐBERENDEZÉS

5.3.1 Rádiólokátor vevők rendeltetése

A rádiólokátor vevőberendezések rendeltetése, hogy a céltárgyakról visszaverődött és az antenna által vett igen kis szintű, impulzusmodulált, nagyfrekvenciás jeleket felerősítsék, és – lehetőleg minimális torzítás mellett – videó-frekvenciás jelekké alakítsák át. A távoli céltárgyakról visszaverődött jelek paraméterei megegyeznek az adó által kisugárzott jelekével, de míg az adó kW, illetve MW nagyságrendű energiát sugároz ki, addig a vevő bemenetére jutó jelek teljesítménye a μW törtrészével egyenlő, és az antenna feszültsége μV nagyságrendű. A cél helyére vonatkozó adatoknak az indikátoron való leolvasását az teszi lehetővé, hogy a visszavert jelek az elektronsugárcsövön a fénypont mozgását vagy megjelenését okozzák. Az elektronsugárcső működéséhez 20…100 V feszültség szükséges, mely már nem tartalmazza a nagyfrekvenci- 130 -


ás komponenseket. Eszerint olyan erősítőre van szükségünk, amely ha az antennához csatlakoztatjuk, elektronsugárcsövön látható indikációt létesít. Az antenna kimenetén tized μV nagyságú, néhány μs időtartamú nagyfrekvenciás jelek vehetők le. Azokat a különleges erősítő, keverő és detektor fokozatokat, melyek a fent leírt jelet az indikátoregység számára megfelelő jellé alakítják át, együttesen rádiólokátor vevőknek nevezzük. 5.3.2 Rádiólokátor vevők legfontosabb paraméterei

A rádiólokátor vevők legfontosabb paraméterei: a vevő teljesítményerősítése (G), a vevő érzékenysége (Pvmin), a vevő szelektivitása, a vevő sávszélessége (B) a vevő frekvenciája (fv). A vevő erősítésén a kimenő és bemenő teljesítmény-, vagy feszültségviszonyt értjük. A vevő érzékenységén azt a legkisebb teljesítményt értjük, mely esetén a detektor előtt a jel-zaj teljesítményviszony egységnyi. A gyenge jelek vételi képességére jellemző adat. A vevő szelektivitása mint paraméter megmutatja, hogy a vevő mennyire képes a frekvenciatartományon belül egy adott frekvenciasáv kiválasztására. Korszerű rádiólokátor vevőkben (ezek általában többcsatornás berendezések) megkülönböztetünk csatorna- és tükörszelektivitást. A csatornaszelektivitás a vevőnek a szomszédos csatornához viszonyított szelektivitása, a vevő vételi frekvenciáján. Impulzusüzemű rádiólokátorokban gyakran alkalmaznak olyan megoldásokat, amelyek lehetővé teszik, hogy az indikátoron csak meghatározott időben érkező jelek jelenjenek meg. E megoldást időszelekciónak nevezzük. 5.3.3 Rádiólokátor vevők általános felépítése

A rádiólokátor vevők három alapvető feladatot oldanak meg: a jelek kiválasztását, felerősítését és egyenirányítását. Ez egyenes vagy szuperrendszerű vevőkkel oldható meg. Egyenes vevőket csak ritkán vagy egyáltalán nem alkalmaznak, az alábbi hátrányos tulajdonságaik miatt: 1. frekvenciaszelektivitásuk kicsi, mivel kettőnél több nagyfrekvenciás fokozat alkalmazása már nehézkes, 2. az erősítő fokozatok folyamatos áthangolása nem lehetséges megbízható üzemeltetés biztosítása mellett (gerjedés lép fel), 3. az éles rezonancia karakterisztika miatt kicsi a sávszélességük, és áthangoláskor nem stabilak, 4. a kis erősítés miatt kicsi az érzékenységük. - 131 -

Vevőberendezés

E hátrányok szuper-rendszerű r-rendszerű vevőknél, a frekvenciatranszponálás miatt, nem lépnek fel. A szuper-rendszerű vevők általános tömbvázlatát a 5.3. ábra szemlélteti. fKF = fv - fo

fv

RF <

Keverő fV

fKF

KF <

fKF

Detektor

fvid

Videó <

fvid Indikátor felé

fo

Helyi oszc.

5.3. ábra Szupervevő felépítése

Az antennáról bejövő jel az egy vagy két fokozatból álló Rádiófrekvenciás (RF) erősítőre kerül, mely 1..2 nagyságrenddel erősíti, majd a keverőre jut, ahol a jel könnyebb erősítése végett frekvenciatranszponálást végeznek. A keverő fokozat, a keverő hatásfokától függően, kismértékben csökkenti a jel amplitúdóját. A jelkeverő fokozat után a 3...7 fokozatból álló középfrekvenciás (KF) erősítőre kerül, ahol l04...106 nagyságrendű erősítés megy végbe. Ezután videó-detektoron keresztül a videoerősítőre, onnan pedig az indikátoregységbe jut. A videodetektor a nagyfrekvenciás impulzus burkolóját képezi, a videoerősítő pedig ezt az indikátor által meghatározott szükséges szintre erősíti. A videoerősítő 1...2 nagyságrendet erősít. Meg kell jegyeznünk, hogy a keverő fokozatot első detektornak, a video-detektort pedig második detektornak is szokás nevezni. A helyi oszcillátor (HO) a transzponáláshoz szükséges másodlagos jelet (elsődleges az antennáról jövő jel) állítja elő megfelelő frekvenciával és amplitúdóval. A 5.3. ábrán a legáltalánosabb, legelterjedtebb megoldást ismertettük. Természetesen ettől eltérő megoldások is előfordulhatnak. Az, hogy melyiket alkalmazzuk, mindenekelőtt a bejövő erősítendő jel frekvenciájától függ. Kisebb frekvenciák és elég nagy jelszint esetén az RF erősítő el is maradhat. Nagyobb frekvenciák esetén az RF erősítő többfokozatú is lehet, sőt, a többszöri frekvenciatranszponálás is szokásos. A szokásos KF frekvencia 20...80 MHz, legtöbbször 30 MHz. Szuper-rendszerű vevők középfrekvenciája mindig állandó, mivel a nagyfrekvenciás (RF) fokozatok áthangolásával egyidőben a helyi oszcillátor áthangolása is végbemegy. Ezért a bejövő jel (fv) és a helyi oszcillátor (fo) frekvenciájának különbsége mindig állandó. Az előbbiek miatt a vevő középfrekvenciás (KF) köreit nem hangolják el, ezáltal nagyszámú fokozat alkalmazható a begerjedés veszélye nélkül.

- 132 -


A szuper-rendszerű vevők érzékenysége nagy, szelektivitásuk igen jó. Hátrányuk a tükörzavarás hatása, melyet a zavaró állomások nagyfrekvenciás jeleiből és a helyi oszcillátor jelének különbségi frekvenciájából álló lebegő jel okoz. A tükörfrekvenciás jel frekvenciája a KF frekvenciával különbözik a hasznos jelfrekvenciától. A rádiólokátor vevője alapvetően befolyásolja a harcászat-technikai jellemzőket (maximális hatótávolság, felbontóképesség, zajvédettség stb.) Ezért a rádiólokátor vevővel szemben támasztott különleges követelmények (pl. nagy érzékenység és sávszélesség, nagy erősítési és kis zajtényező) betartása igen lényeges. 5.3.4 Rádiólokátor vevők nagyfrekvenciás erősítő fokozatai

A nagyfrekvenciás erősítő fokozatok rendeltetése, hogy a vevő bemeneti körén megjelenő nagyfrekvenciás jeleket felerősítsék és szelektálják. A nagyfrekvenciás erősítőre érkező jelek 10-3...10-6 W nagyságrendűek. Az alkalmazott nagyfrekvenciás erősítők az üzemi hullámhossztól függenek: a m-es üzemi hullámhossz esetén feszültségerősítők, a cm-es és dm-es hullámhosszak esetén pedig teljesítményerősítők lehetnek. A nagyfrekvenciás feszültségerősítők az esetek többségében rezonáns erősítők. (Rezonáns erősítőnek nevezzük az olyan erősítőt, melyben az elektroncső anódterhelése a jelfrekvenciára hangolt rezgőkör). A rezonáns erősítők hangolt körei koncentrált paraméterű vagy megosztott paraméterű (koaxiális rezonáns tápvonal) elemekből lehetnek felépítve. 5.3.5 Rádiólokátor vevők nagyfrekvenciás keverő fokozatai

A nagyfrekvenciás keverők (továbbiakban keverők) rendeltetése a rádiólokátorok vevőiben a célról visszaverődött és az antenna által vett nagyfrekvenciás, kisszintű jelfrekvencia transzponálása, hogy a detektáláshoz szükséges mértékű erősítés egyszerű eszközökkel tértöltés vezérlésű vákuumcsövekkel - elvégezhető legyen. Az antennával vett nagyfrekvenciás jelek az adás-vétel kapcsolón keresztül közvetlenül, vagy nagyfrekvenciás erősítő fokozaton keresztül jutnak a keverőre. A jel nagysága mindkét esetben mW-nál kisebb, a helyi oszcillátor jele viszont mW nagyságrendű. Az olyan keverőket, melyek bejövő jelszintje kisebb a helyi oszcillátor jelénél, kisszintű keverőknek nevezzük. Legyen az antennáról vagy a nagyfrekvenciás erősítő fokozatról érkező jel frekvenciája fv, a helyi oszcillátor frekvenciája pedig fo, akkor a keverő a - 133 -

Vevőberendezés

két jelből fKF = fv - fo, vagy fKF = fo-fv középfrekvenciás jelet állít elő. Az előbbit alsó keverésnek, az utóbbit pedig felső keverésnek nevezzük. Rádiólokátor vevők szokásos középfrekvenciás-értéke 15...60 MHz. Ebből következik, hogy a keveréshez a helyi oszcillátornak a bejövő jellel közel azonos frekvenciájú jel frekvenciájánál a középfrekvencia értékével kisebb, amplitúdója pedig két-három nagyságrenddel nagyobb, mint a bejövő jelé. A rádiólokátorok szokásos keverési módja az un. additív (összegező) keverés, amikor a két jel a bemenetre sorosan kapcsolt generátorok miatt öszszegeződik. A keverés megvalósítható bármilyen nonlineáris karakterisztikájú elemmel, mivel azon mindig megjelenik a két jel összege, a két jel különbsége, a két jel összegének és különbségének n-szerese (n egész szám), de az egyik vagy másik jel sohasem választható külön. A keverő kimenetén szűrővel választják ki az fKF frekvenciájú jelet. Például fv = 3000 MHz, fo = 29700 MHz esetén: fKF = fv-fo = 3000 - 29700 = 30 [MHz] Keverők nem lineáris karakterisztikájú elemeként az üzemi hullámhossztól függően tértöltés vezérlésű triódákat vagy kristálydiódákat alkalmazunk. A m-es hullámsávban tértöltés vezérlésű csöveket, a dm-es és cm-es hullámsávban pedig kristálydiódákat alkalmazunk. 5.3.6 Rádiólokátor vevők helyi oszcillátorai

A rádiólokátor vevők helyi oszcillátorai állítják elő a keveréshez szükséges másodlagos jelet, melynek frekvenciája fo=fv + fKF, ahol fv a bejövő jel frekvenciája, fKF pedig a középfrekvencia. A keveréshez szükséges jelteljesítmény mW nagyságrendű. Leggyakrabban alkalmazott oszcillátor megoldások: a síktriódás oszcillátorok az 1 GHz alatti, és a reflexklisztronok az 1 GHz feletti frekvenciákon. 5.3.7 Rádiólokátor vevők középfrekvenciás erősítő fokozatai

A középfrekvenciás erősítők feladata, hogy a keverő fokozatról érkező kisszintű, impulzusmodulált, középfrekvenciás jelet kb. 1 V-os szintre erősítsék, és elnyomják a nagyfrekvenciás komponenseket. A szokásos középfrekvencia értéke fKF = 15....60 MHz. A nagy középfrekvenciák előnye, hogy a videó-detektoron könnyebben szétválaszthatók a közép- és a videó-frekvenciák. Kis középfrekvenciák alkalmazása esetén az erősítőcsövek csőkapacitásának kismértékű változása kevésbé változtatja meg

- 134 -


a behangolást, a csőben pedig kisebb a katódbevezetés induktivitása és a rácsterhelés hatása. A középfrekvenciás erősítők hangoltkörű erősítők, amelyek csak a középfrekvencia körül elhelyezkedő, viszonylag keskeny frekvenciasávban erősítenek. A KF erősítők lehetnek egyhangoltkörös vagy kéthangoltkörös (sávszűrős) erősítők, aszerint, hogy hány (egy vagy két) rezgőkört tartalmaznak. Adott sávszélesség esetén sávszűrős csatolással nagyobb erősítés érhető el, a legtöbb rádiólokátor vevőben mégis egyhangoltkörös csatolást alkalmaznak, mert ez esetben egyszerűbb a gyártás és a behangolás. 5.3.8 Amplitúdó-detektorok (videó-detektorok)

Az amplitúdó-detektorok feladata, hogy az amplitúdó-modulált középfrekvenciás jelből leválasszák a moduláló jelet, vagyis a középfrekvenciás jel amplitúdójával arányos videojelet szolgáltassanak, és elnyomják a kimenő jel középfrekvenciás jelkomponenseit. Az amplitúdó-detektorok diódát vagy rácsban vezérelhető elektroncsöveket tartalmazó áramkörökkel valósíthatók meg. A rádiólokátor vevőkben legelterjedtebben a diódás detektorokat alkalmazzák. 5.3.9 Videó-frekvenciás erősítők

A videó-frekvenciás erősítők feladata, hogy a videó-detektortól érkező kb. 1 V nagyságrendű jeleket felerősítsék az indikátor vezérléséhez szükséges (kb. 100 V) szintre. E feladatból adódik, hogy a szükséges erősítés elérése mellett biztosítanunk kell a jel alakhű átvitelét is. A rádiólokátorok vevőiben RC-csatolású erősítőket alkalmaznak videófrekvenciás erősítőként. 5.3.10 Rádiólokátor vevők szabályozókörei

5.3.10.1 Erősítésszabályozások

A rádiótechnikában a vevőkre kerülő bemenő jelek amplitúdója gyakran változik, mert nagyságuk függ a cél távolságától, a cél hatásos felületétől, a rálátási szögtől stb. Amennyiben a vevő erősítése változatlan és olyan, hogy lehetővé teszi a gyenge intenzitású jelek megfelelő vételét, akkor a nagy intenzitású jelek erősítése nagy amplitúdójú torzítással következik be. Ha csökkentjük a vevő erősítési tényezőjét, hogy csökkentsük a torzítást, akkor a kis - 135 -

Vevőberendezés

intenzitású jeleket nem tudjuk venni, azaz elvesznek a számunkra. Az állandó erősítésű tényezőjű vevők tehát nem biztosítják a jelek minőségi vételét, ha a jelek intenzitása nagy határok között ingadozik. Emellett az indikátorok optimális működésének is előfeltétele, hogy a vevőtől állandó szintű jelek érkezzenek az indikátor bemenetére, mert a különböző tereptárgyakról érkező jelek telítésbe vihetnék a vevőt, és az indikátor képernyőjét annyira megvilágíthatnák, hogy a célok leolvasása lehetetlenné válna. A fenti okok indokolják a különböző erősítésszabályozó áramkörök alkalmazását. Csaknem minden rádiólokátorban megtalálhatók erősítésszabályozó áramkörök: - a kézi erősítésszabályozás (MGC - Manual Gain Control, RRU - Rucsnaja Regulirovka Uszilényija), - automatikus erősítésszabályozás: (AGC - Automatic Gain Control, ARU = Automaticseszkaja Regulirovka Uszilényija), - időbeni erősítésszabályozás: (STC - Sensitivity Time Control, VARU - Vremennaja Automaticseszkaja Regulirovka Uszilényija), - pillanatnyi automatikus erősítésszabályozás: (IAGC Instantaneous Automatic Gain Control, MARU = Mgnovennaja Automaticseszkaja Regulirovka Uszilényija). 5.3.10.2 Kézi és automatikus erősítésszabályozás

A vevő kimenő szintjének meghatározott értéken való tartását erősítésszabályozás biztosítja úgy, hogy a vevő kimenő feszültsége bizonyos fokozatoktól kezdve függ a fokozatok erősítésétől. Az erősítés alapszintjét mindig kézzel, a vevő hangolásakor állítjuk be. Az erősítésszabályozást a KF erősítő középső fokozataiban végezzük. Ennek oka, hogy sem a KF erősítő optimális zajtényezőre beállított első fokozatait, sem az utolsó fokozatokat nem célszerű beiktatni a szabályozásba, mivel nagy bemenő jelek esetén torzítanának. 5.3.10.3 Időbeni erősítésszabályozás (STC)

A lokátor közelében lévő helyi tereptárgyakról visszavert jelek károsan nagy amplitúdóval érkezhetnek a vevőbe, ezért telítésbe vihetik az indikátort, ami megnehezíti a célok követését. Az időbeli erősítésszabályozás a letapogatási periódusnak megfelelő időintervallumokban a vevő erősítési tényezőjének a megváltozásán alapul. A lokátor kisugárzásának pillanatában a vevő erősítési tényezője minimális, és fokozatosan változik a maximális értékig. Így a különböző távolságban lévő, azonos hatásos felületű célokról érkező jelek a szabályozott körtől azonos amplitúdóval jutnak a további fokozatokra, és az indikátorokon azonos intenzitással jelennek meg.

- 136 -


5.3.10.4 Pillanatnyi erősítésszabályozás (IAGC)

Az IAGC olyan erősítésszabályozás, amely a nagy amplitúdójú impulzuszavaroktól védi a vevőt. Ilyen zavarjelek reflektálódnak a vízfelületről (repülőgép fedélzeti rádiólokátor esetén), helyi tereptárgyakról, sűrű felhőképződményekről, amelyeknek hatására az IAGC nélküli vevőkben a vevőfokozat túlterhelése következik be. A vevő fokozatok túlterhelése miatt a vevő érzékenysége nagymértékben lecsökken, így megnő a hasznos jelek átengedési valószínűsége. Az IAGC áramkör lényegében olyan automatikus erősítésszabályozó áramkör, amely a zavarójel hatására szabályoz. A zavarójel amplitúdójának növekedésével nő a szabályozott csövek rácselőfeszültsége. Így a szabályozott előfeszültség értéke mindig arányos a zavarójel amplitúdójával. Ezért a hasznos és a zavarójel eredőjének burkolója mindig az Ia-Ug csőkarakterisztika azonos szakaszára esik. 5.3.10.5 Automatikus frekvenciaszabályozás

A magyar szakirodalomban az automatikus frekvenciaszabályozás rövid jelölésére az AFC - Automatic Freguency Control angol, illetve az APCS - Automaticseszkaja Podsztrojka Csasztoti orosz kifejezések kezdő betűit is gyakran használjuk. A rádiólokátorok adó- és vevőoszcillátorainak frekvenciája a tápfeszültség és a hőmérséklet változásának hatására nagymértékben megváltozhat, az előbbiek változásától függően. Az oszcillátor terhelésének megváltozása, mely a forgáspontok impedenciaváltozása - a forgáscsatlakozók nem ideális volta - miatt elkerülhetetlenül fellép, ugyancsak befolyásolja az adóoszcillátor frekvenciáját. Ezen okok miatt az adó- és vevőoszcillátor frekvenciájának különbsége (vagy összege) is megváltozik, aminek következtében a középfrekvenciás jel frekvenciája a vevő középfrekvenciás sávjából részben vagy teljesen kieshet. Így a KF fokozat a jelet kevésbé vagy egyáltalán nem erősíti. A jel normális vétele céljából biztosítanunk kell, hogy az adó- és vevőoszcillátor jeleinek frekvenciakülönbsége mindig az a középfrekvencia legyen, melyre a vevő KF erősítő fokozat hangolva van. Ezt a feladatot az automatikus frekvenciaszabályozó fokozat hajtja végre. Az AFC rendszer azon áramkörök összessége, melyekkel biztosítható az adó- és vevőoszcillátorok különbségi frekvenciájának névleges értéke. Az AFC rendszerek csoportosíthatók: az AFC rendszer elvi megoldásától, a szabályozási frekvenciatartománytól és a szabályozó körök technikai megoldásától függően. a.) Az AFC rendszerek az elvi megoldástól függően lehetnek: - Relatív frekvenciaszabályozó rendszerek. Ez esetben az adó frekvenciájának és a helyi oszcillátor frekvenciájának különbségét tartják állandó értéken úgy, hogy a különbségi frekvencia - 137 -

Vevőberendezés

tényleges és a KF frekvencia névleges értékét összehasonlítják, és eltérés esetén a kapott hibajellel az adó vagy a vevő oszcillátorát úgy vezérlik, hogy a hibajel zérussá csökkenjen. Ekkor a különbségi frekvencia megegyezik a KF frekvencia névleges értékével. - Abszolút frekvenciaszabályozó rendszerek. Ekkor vagy az adó, vagy a vevő oszcillátorának frekvenciáját tartják állandó értéken úgy, hogy egy nagypontosságú oszcillátor frekvenciájával hasonlítják össze. A frekvencia-eltérésből képzett hibafeszültség vezérli az adó- vagy vevőoszcillátorokat. b.) Az AFC rendszerek a szabályozási frekvenciatartománytól függően lehetnek: - Követő rendszerűek, ha a szabályozási frekvenciatartomány kicsi. - Kereső-követő rendszerűek, ha a szabályozási frekvenciatartomány nagy. c.) Az AFC rendszerek a szabályozó körök technikai megoldásától. függően lehetnek: - Elektronikus megoldásúak, ha az oszcillátor a hangolási sávon belül elektromosan hangolható. - Elektro-mechanikus megoldásúak, ha az oszcillátor mechanikus hangolása is szükséges, vagy csak mechanikusan hangolható. A rádiólokátorok frekvenciaszabályozó áramkörei leggyakrabban olyan megoldásúak, hogy a különbségi frekvenciát tartják állandó értéken, ezért részletesebben csak a relatív frekvenciaszabályozással foglalkozunk. A relatív frekvenciaszabályozás ismertetése előtt röviden vizsgáljuk meg az abszolút frekvenciaszabályozást. 5.3.10.6 Abszolút frekvenciaszabályozás

Az abszolút frekvenciaszabályozás elvét a 5.4. ábra szemlélteti. A szabályozni kívánt adó- vagy vevőoszcillátor frekvenciáját egy nagystabilitású - etalon - oszcillátor frekvenciájához rögzítik. Adó oszcillátor f0; α Vevőoszcillátor fo; α

Összehasonlító áramkör, β

Erősítő

γ

5.4. ábra Az abszolút AFC elve

- 138 -

Etalon oszcillátor, fe


5.3.10.7 Relatív frekvenciaszabályozások

Az adó- és a helyi oszcillátor frekvenciakülönbségét állandó értéken tartó berendezések lehetnek: Követő rendszerű AFC berendezés alkalmazható, ha az adó- és a helyi oszcillátor frekvenciaelhangolódásának nagysága nem lépi túl az AFC berendezés megfogási sávhatárát, az elhangolódás sebessége kisebb, mint az AFC követési sebessége, a hangolás behúzási sávhatára pedig oly kicsi, hogy lehetővé teszi - az adott követési és elhangolódási sebesség mellett - a megfogási sávhatáron belül, hogy az AFC még a KF értékre tudja szabályozni a különbségi frekvenciát. Ha a frekvenciaelhangolódás sebessége az AFC követési sebességéhez viszonyítva nagy (az AFC követési sebességének abszolút értelemben mindig nagyobbnak kell lennie), akkor az AFC fokozat csak viszonylag nagyon kicsi behúzási sáv esetén szabályoz. Elhangolódási sávon a tényleges középfrekvenciának a névleges középfrekvenciához viszonyított maximális eltérését értjük. Megfogási sávon a névleges középfrekvencia alatti és feletti azon frekvenciák különbségét értjük, melyeken belül az AFC szabályozni képes. Behúzási sávon a névleges középfrekvenciától mért azon Δf frekvenciaeltérést értjük, amelyet az AFC követési sebessége a megfogási sávon belül, az adott elhangolódási sebesség mellett képes a középfrekvenciára beszabályozni. A megfogási és behúzási sávoknak mindig kisebbeknek kell lenniük, mint a hangolandó oszcillátor hangolási tartománya, mert különben az AFC nem tudja működési tartományán belül végrehajtani az utóhangolást. A kereső-követő rendszerű AFC berendezések működésének lényege, hogy ha az adóoszcillátor frekvenciaváltozásának sebessége meghaladja az AFC működési sebességét, akkor a vételben csak időlegesen áll be zavar, mivel az AFC berendezés ekkor átkapcsol keresésre, és igen széles „keresési sávban” periodikusan változtatni kezdi az adó- (vagy a vevő-) oszcillátor frekvenciáját, mindaddig, amíg újra nem hangolja az adó- (vagy a vevő-) oszcillátort, olyannyira, hogy a követés biztosított legyen. Ez az oka annak, hogy a kereső-követő AFC berendezés az adó vagy a vevő oszcillátorának bármilyen frekvenciára való elhangolódása esetén biztosítani tudja a frekvencia szabályozását, bármilyen sebességgel is zajlott le az elhangolódás a keresési sávon belül. Keresési sávnak azon frekvenciatartományt nevezzük, melyen belül az AFC az oszcillátort durva vagy finom hangolás alkalmazásával hangolni képes. A keresési sáv nagyságrenddel nagyobb a követési (megfogási) sávnál. A kereső-követő AFC rendszer igen nagy előnye, hogy a helyi oszcillátor frekvenciáját elégséges olyan pontossággal kézileg beállítani, hogy a beállítás hibája ne legyen nagyobb a keresési sávnál. A követő rendszerű AFC-ek

- 139 -

Indikátor

alkalmazásakor viszont a beállítási hibának a behúzási sávnál kell kisebbnek lennie, ami jóval kisebb a keresési sávnál.

5.4 INDIKÁTOR Az indikátorok - aszerint, hogy a célokról visszavert jeleket hány koordináta szerint ábrázolják - lehetnek egy-, két- és háromdimenziós indikátorok. Ezen belül megkülönböztetünk fényerő- és helyzet-modulációs indikátorokat. Előbbieknél az elektronsugárcső ernyőjén a célnak megfelelő helyen fényerőnövekedés, utóbbinál pedig az elektronsugár eltérése, helyzetének megváltozása jön létre. A különböző típusú indikátorok megnevezésének alapját általában a mérendő célkoordináta képezi. Tekintettel azonban arra, hogy azonos koordinátát többféle indikátor is mérhet, ezért gyakran az elektronsugár kitérítésének módját is megjelölik. Az egyszerűbb tárgyalás céljából a legtöbb indikátort valamilyen betűjelzéssel látták el. A gyakorlatban számos indikátortípus terjedt el, melyek közül csak néhányat mutatunk be. A 5.5. ábrán egydimenziós ábrázolási módok láthatók. A célokról viszszaverődött jeleket mindkét indikátortípus távolság szerint ábrázolja.

5.5. ábra Egydimenziós indikátorok

Helyzet-modulációs indikátorok, tehát a jelek amplitúdója is megfigyelhető. Ez okból rádiólokátorokban gyakran ellenőrző indikátorként alkalmazzák őket. A 5.6. ábrán kétdimenziós indikációs módok láthatók. Jellemzőjük a fényerő-moduláció. A legelterjedtebb kétdimenziós indikátor a P-típusú, vagy más néven PPI indikátor (Plan Position Indicator = síkhelyzet indikátor). Az ernyő középpontjából kiindulva sugárirányban mérhető a cél távolsága, valamilyen alapirányhoz (É vagy D) viszonyítva pedig a cél oldalszöge. A célokról visszavert jeleket polár-koordinátarendszerben ábrázolja. Hiányossága, - 140 -


hogy a középpont felé romlik az indikátor felbontóképessége és mérési pontossága. Ezért a P- típusú indikátor ernyőjének egy tartományát gyakran ábrázolják derékszögű koordináta-rendszerben. Ennek megfelelő indikációs mód a B-tipusú ábrázolás, melynél a nulla az adott szektor közepének megfelelő oldalszög érték. A B-típusú indikációhoz hasonló a C-típusú, azzal a különbséggel, hogy az oldalszög-távolság helyett az oldalszög-emelkedési szög a két koordináta. Az E és RH típusú (Range Height Indicator - távolság-magasság indikátor) indikációk a célok magasságának mérésére valók. Előbbi távolság-emelkedési szög, az utóbbi pedig távolságmagasság szerint ábrázolja a célokról visszaverődött jeleket. Mindkettő derékszögű koordináta-rendszerben végzi az indikációt.

5.6. ábra Kétdimenziós indikátorok

A 5.7. ábra olyan ábrázolásokat mutat, amelyeket legegyszerűbben háromdimenziós indikációs módszernek nevezhetünk. Ezen belül a spirális ábrázoláskor nem az elektronsugár, hanem az antenna sugárzási karakterisztikája végez spirális mozgást. Az elektronsugár szinkron forog a sugárzási karakterisztika tengelyével, így az indikátor kerülete mentén megállapítható a cél eltérésének - az antenna optikai tengelyéhez viszonyított - iránya (P), a sugár mentén pedig a cél távolsága (D). A céljelek ívhosszúsága különbözik, attól függően, hogy a cél milyen mértékben tér el az antenna optikai tengelyétől (amely körül a sugárnyaláb spirális mozgását végzi), esetleg - fedélzeti rádiólokátor esetén - a repülési iránytól (A, B, C jel). Minél kisebb az eltérés, annál nagyobb a céljel - 141 -

Antennamozgató rendszer

ívhosszúsága. Határesetben, ha a cél az optikai tengelyen (a repülőgép tengelyében) van, akkor teljes kör (F jel). Ellenkező irányú eltérés esetén (Pl) a céljel az E ívnek megfelelő.

5.7. ábra Háromdimenziós indikátorok

A H-típusú, vagy más néven kétpontos ábrázolás alapja a B-típusú indikáció, azzal a különbséggel, hogy a távolság és oldalszög szerint helyesen ábrázolt céljeltől jobbra - az emelkedési szög szinuszával arányos mértékben megismétlődik a jel. A H-típusú ábrázolás esetén egyetlen, szárny alakú jel jelenik meg, melynek közepénél a emelkedési szög és az oldalszög eltérése, a szárnyak hosszából pedig a cél távolsága olvasható le. A 5.7. ábrán látható indikátortípusokat elsősorban repülőgép-fedélzeti rádiólokátorokhoz alkalmazzák.

5.5 ANTENNAMOZGATÓ RENDSZER E fejezetben csak az antennamozgató berendezések rendszereit tárgyaljuk, ismertnek véve azok építőelemeinek - motorok, generátorok, amplidinek, szinkronkövető szelszinrendszerek, szervoerősítők, mechanikus elmozdulás közlő rendszerek, reduktorok, kapcsolótáblák stb. - felépítését és működési elvét. h1úködésük ismertetésére csak a szükséges mértékben térünk ki. A rádiólokátorok antennáinak mozgatását (forgatását) oldalszögben, valamint emelkedési szögben az antennamozgató berendezések végzik. Ezek feladatuktól függően a leadott teljesítményük alapján nagy - vagy kisteljesítményű elektromechanikus rendszerek. A mozgatáshoz szükséges teljesítmény az antenna tömegétől és geometriai méreteitől függ. Általában a földi felderítő rádiólokátorokhoz kevésbé bonyolult, nagyteljesítményű antennamozgató rendszereket használnak. A célkövető és fő- 142 -


ként a tűzvezető rádiólokátorokhoz bonyolult, nagyteljesítményű, míg a repülőgépeken és rakétákon elhelyezett rádiólokátorokhoz kisteljesítményű, bonyolult antennamozgató rendszereket alkalmaznak. A kevésbé bonyolult antennamozgató berendezések felépítése, kezelése és az általuk végzett antennamozgatási lehetőségek viszonylag egyszerűek és kevés szerkezeti elemből állnak. Ilyen antennamozgató berendezés látható a 3.8. ábrán is. Kisteljesítmény esetén

K Kapcsolótábla

Uh

G

M

Antennát moz. motor

Generátor

n

UG

MR Antenna mozgatását közlő rend-

Antenna n0

UM Uk 1-től

Áramforrás

GM

Generátort megh. mo-

Uk UGM

1

Antenna véghelyzet határoló csak ϑ-ban történő meghajtás esetén

5.8. ábra Antennamozgató berendezés

Az antennamozgató berendezés fő részei. K kapcsolótábla: a be- és kikapcsolókkal, vezérlő szervekkel és ellenőrző mérőműszerekkel, M antennát mozgató motor, mely többnyire egyenárammal (ritkábban váltakozó árammal) táplálható, G generátor az antennát mozgató motor vezérlési teljesítményének növelésére (csak nagyteljesítményű antennamozgató berendezések esetén), MR antennamozgatást közlő rendszer, a különféle felépítésű reduktorokkal, GM generátort hajtó motor, mely a generátort n állandó fordulattal hajtja, áramforrás, mely lehet aggregátor vagy hálózat. Ezen kívül a ϑ irányú mozgatáshoz még az alsó és felső határkapcsoló is szükséges. A berendezés egyes egységei a következő sorrendben helyezhetők feszültség alá: GM, G és M. Ezzel a bekapcsolás megtörtént. A GM generátort hajtó motor az UGM feszültség hatására forgatja a vele közös tengelyen lévő G generátor forgórészét, melynek állórésze UG feszültséggel van gerjesztve. A generátor forgórészének tekercsein létrejött feszültség gerjeszti az M antennamozgató motor forgórészét, melynek tengelye az MR antennamozgatást közlő rendszerhez csatlakozik. Az M antennamozgató motor állórésze az áramforrásról UM feszültséggel van gerjesztve. Az antennamozgatást közlő rendszer az antennához csatlakozik. A G generátor állórésze a kapcsolótábláról adott polaritással állandó UG, vagy változó Uh hibafeszültséget kap.

- 143 -

Zavarvédő rendszer

A hibafeszültséget a generátor - nagy teljesítményerősítés esetén - felerősíti, és az antennamozgató motorhoz továbbítja, melynek hatására az antennamozgatást közlő rendszeren keresztül az antennát elforgatja. Az antennamozgatást közlő rendszerről vagy az antennáról a kapcsolótáblához „visszajelzés” érkezik, és az ott lévő ellenőrző műszerek jelzik az antenna elfordulásának irányát és nagyságát. A hibajel lehet változó amplitúdójú feszültség vagy állandó értékű egyenfeszültség - ez esetben az antenna állandó fordulattal forog folyamatosan. A változó amplitúdójú feszültséget a kezelő egy kézikerék elforgatásával állítja elő. Ekkor az antenna a hibafeszültség változásának megfelelően változtatja forgássebességét. A bonyolult antennamozgató berendezések szervorendszerben dolgoznak. Ezek felépítése biztosítja az általuk mozgatott antennák pontos és a különféle üzemmódoknak megfelelő irányú és mértékű mozgatását.

5.6 ZAVARVÉDŐ RENDSZER A rádiólokátorok fejlesztésének és széleskörű alkalmazásának eredményeképpen jelentősen megnövekedett a repülés és a hajózás biztonsága, valamint a különböző fegyverek hatékonysága. Ez utóbbi természetszerűleg kiváltotta azon módszerek és eszközök fejlesztését, illetve alkalmazását, melyek megnehezítik, vagy lehetetlenné teszik a feladatoknak rádiólokátorokkal való eredményes végrehajtását. Ezen túlmenően több jelenség a szándékosság hiányában is megnehezítheti a rádiólokátorok eredményes alkalmazását. A rádiólokátorok elleni tevékenység alapvető módszere a szándékos zavarás (eltekintve a fizikai megsemmisítéstől). Ezen olyan jelek létrehozását értjük, melyek hátterében a valódi cél jelének megfigyelése az indikátorernyőn nehéz vagy lehetetlen. Különböző zavartípusok alkalmazhatók, melyek az adott rádiólokátor antenna-tápvonalrendszerére, vevőjére és indikátorára fejtik ki hatásukat. Az elérhető eredmény többek között függ a zavar típusától, teljesítményétől és az előbbi egységek paramétereitől. A zavarójeleket a rádiólokátor antennája veszi. Belátható, hogy minél nagyobb valamely antenna sugárzási karakterisztikájának nyílásszöge, annál szélesebb az indikátoron (indikátorokon) létrehozott zavarás sávja. Esetenként a sugárnyaláb mellékszirmai is jelentős zajteljesítményt vehetnek.

- 144 -


5.6.1 Rádiólokációs zavarok

A rádiólokációs zavarok feloszthatók aktív és passzív zavarokra. Ezen belül mindkettő lehet természetes és mesterséges zavar. Előbbibe a véletlenszerű (nem szándékosan keltett), utóbbiba pedig a meghatározott céllal létrehozott zavarokat soroljuk. Passzívak azok a zavarok, melyeket zavaró visszaverő felületek reflexiói, aktívak pedig azok, melyeket zavaró elektromágneses hullámok keltenek. Passzív zavarokat fém-, vagy fémes fóliákkal, fémhálókkal, sarokreflektorokkal, vagy természetes reflektáló tárgyakkal (erdő, építmény, felhő stb.) kelthetünk. A fóliák által keltett zavar (dipólzavar) az indikátor ernyőjén megnöveli a zajt, vagy különböző - a zavarfelhő kiterjedésétől függő - célokat imitál, ezzel megnehezíti, vagy lehetetlenné teszi a mérendő céltárgy jelének megfigyelését (5.9. a., b. ábra). Fémhálókkal, sarokreflektorokkal vagy a természetes reflektáló tárgyak egy részével (erdő, építmény, szalmakazal) célokat lehet álcázni vagy imitálni. Az előbbi esetben a mérendő céltárgy és a zavaró tárgy közötti távolságnak kisebbnek, célok imitálásakor pedig az egyes zavaró tárgyak közötti távolságnak nagyobbnak kell lennie, mint a rádiólokátor-távolság, illetve szögszerinti felbontóképesség. Az esőfelhők elsősorban cm-es vagy annál rövidebb hullámhosszon üzemelő, a magasabb kiemelkedések (dombok, hegyek, építmények, erdők) azonban minden rádiólokátort zavarnak, egyrészt azáltal, hogy az indikátoron számos álló céltárgy jele látható, másrészt úgy, hogy az objektum mögött holttér keletkezhet. Az állócélok száma és intenzitása különösen a kitérítés kezdetén jelentős (5.9.c.ábra), így a közeli céltárgyak felderítése, követése vagy bemérése nehéz. Különösen kritikus lehet ez a repülőtereket kiszolgáló rádiólokátoroknál.

5.9. ábra Rádiólokációs zavarok

- 145 -


A passzív zavarokat keltő tárgyak mozgási sebessége a célhoz képest zérus vagy csekély, ezért a passzív zavarokat jó közelítéssel állócéloknak tekinthetjük. Aktív zavarokat külön e célra konstruált zavaró adók, légköri kisülések, különböző gépek elektromos szikrái és a szomszédos rádiólokátorok impulzusai kelthetnek. A különböző aktív zavarokat az alábbi csoportok valamelyikébe sorolhatjuk: - modulálatlan nagyfrekvenciás zavar, - szinusszal amplitúdómodulált zavar, - impulzussal amplitúdómodulált zavar, - zajjal modulált zavar. Ezeken belül is még több változatot különböztethetünk meg. Így pl. a moduláló impulzus lehet a rádiólokátor impulzusaival szinkronozott vagy nem szinkronozott (aszinkron), a rádiólokátor impulzusidejét meghaladó, egyenlő vagy annál rövidebb időtartamú stb. A moduláló jel alakja, frekvenciája, amplitúdója alapvetően meghatározza a zavar sávszélességét és képét az indikátor ernyőjén. Utóbbi az indikátor típusától is függ. A véletlenszerű zavarok közül a szomszédos rádiólokátorok impulzusai az aszinkron, a légköri kisülések és a különböző elektromos szikrák okozta zavarok pedig a zajzavarok csoportjába tartoznak. A teljesség igénye nélkül ismertetett zavarok sokfélesége is bizonyítja, hogy valamely rádiólokátor akkor megbízható, ha segítségével a kitűzött feladat zavaró viszonyok közben is végrehajtható. A zavarvédelem, illetve zavarszűrés tehát akkor is indokolt, ha nem mesterséges, hanem természetes (állócélok, felhők, szikrázások stb.) zavarokkal kell számolnunk. 5.6.2 A zavarvédelem általános módszere

A rádiólokátor-állomások zavarvédelmét - eltekintve a zavarforrás fizikai megsemmisítésétől - alapvetően két csoportra oszthatjuk, nevezetesen szervezési és technikai rendszabályokra. A szervezési rendszabályokhoz olyan intézkedések és módszerek tartoznak, melyek megnehezítik a rádiólokátor zavarását, vagy zavarszűrő alkalmazása nélkül csökkentik a zavarás hatékonyságát. Ilyen többek között: a települési hely célszerű megválasztása, a kezelők magas fokú kiképzése, a rádiólokátorok paramétereinek és települési helyének rejtése stb. A zavarvédelem technikai rendszabályai közé a kezelési szabályokat és a zavarszűrő berendezé5ek alkalmazását sorolhatjuk. Utóbbin belül két csoportot különböztetünk meg. Egyikbe azokat a módszereket soroljuk, melyek gyengítik a vevő bemenetére jutó zavarójelek amplitúdóját, vagy teljesen lehetetlenné teszik azok bejutását. A másik csoportba olyan módszerek és esz- 146 -


közök tartoznak, melyek a vevőbe jutott zavarójelek hatását igyekeznek csökkenteni vagy megszüntetni. A vevő bemenetére jutó zavar-amplitúdó csökkentésére vagy megszüntetésére alkalmas módszerek: az iránykarakterisztika nyílásszögének csökkentése, a rádiólokátor impulzusteljesítményének növelése, a polarizációs szétválasztás és a frekvenciaszelektálás (frekvenciaváltás). A vevőbe jutott zavar hatásának csökkentésére olyan áramköröket alkalmaznak, melyek megszüntetik a vevő telitettségét, illetve a cél- és a zavarjel paraméterei közötti különbség (vivőfrekvencia, fázis, amplitúdó, impulzusfrekvencia és impulzusidő) alapján szétválasztják azokat, majd a zavarjelek jelentős csillapítás után kerülnek az indikátorra. Megjegyezzük, hogy olyan univerzális eszköz vagy módszer nincs, amely minden zavartípus ellen egyformán hatásos védelmet nyújtana. 5.6.3 Frekvenciaszelektivitás

Az aktív zavarás csak akkor lehet eredményes, ha a zavaró és a zavarandó állomások vivőfrekvenciája azonos. A zavarójel többi paramétere csak növelheti a zavarás hatékonyságát. Minél nagyobb a zavaró és a zavarandó állomások vivőfrekvenciáinak különbsége, annál hatástalanabb a zavarás. Ez a tény belátható, ha figyelembe vesszük, hogy az antenna-tápvonal-rendszer, illetve a vevő frekvenciafüggő. A leírtakból kézenfekvően adódik, hogy az aktív zavarás ellen jól védekezhetünk, ha a rádiólokátort nem egy meghatározott frekvencián, hanem egy frekvenciasávon belül több diszkrét frekvencián üzemeltetjük. A sávon belül e frekvenciák gyorsan átkapcsolhatók. A frekvenciaszelektivitás lényege éppen az, hogy a rádiólokátor frekvenciájának megváltoztatásával (váltásával) kitérünk a zavarófrekvencia elöl. A rádiólokátorok elvi működéséből adódik, hogy más frekvenciára való áttéréskor az adó oszcillátorát, a vevő helyi oszcillátorát, a vevő keskenysávú nagyfrekvenciás erősítő fokozatait, és gyakran a tápvonalrendszert is át kell hangolnunk. Ahhoz, hogy a zavar hatása minél rövidebb ideig érvényesüljön, az szükséges, hogy a különböző fokozatokat egyidőben és gyorsan hangolhassuk át. A feladat megoldására gyakran automatikusan működő szerkezeteket, automatákat - alkalmaznak, melyeket előre több frekvenciára programozhatnak. Az automaták működtetése kiváltható manuálisan (gombnyomásra), vagy megfelelő áramkör alkalmazásával - automatikusan.

- 147 -


5.6.4 A passzív zavarok kiszűrésének módszerei

A passzív zavarok első közelítésben állócéloknak tekinthetők, mert mozgási sebességük a rádiólokátorhoz viszonyítva zérus vagy nagyon csekély. Ezzel szemben a követendő célok sebessége nagy, s ezeket kell az állócélok (passzív zavarok) hátterében meglátnunk, kiválasztanunk. A passzív zavarszűrés tehát lényegében mozgócél kiválasztás (pl. MTI rendszerrel). 5.6.5 Aktív zavarok szűrése

Az egyes aktív zavartípusok ellen védekezni sokféleségük miatt - rendkívül nehéz, és egyetlen áramkörrel lehetetlen. Ezért általában nem az egyes zavarok kiszűrésére, hanem a zavar hatása alól való kitérésre törekszünk. Erre alkalmas megoldása a 5.6.3. pontban ismertetett frekvenciaszelektivitás (frekvenciaváltás). Emellett azonban léteznek olyan kapcsolások, melyekkel egyes zavartípusok kiszűrhetők.

- 148 -

A rádiótechnikai felderítő adatszerzés technikai alapjai

6 A RÁDIÓTECHNIKAI FELDERÍTŐ ADATSZERZÉS TECHNIKAI ALAPJAI A 2. fejezetben már megvizsgáltuk a céltárgyak paramétereit. A rádiótechnikai felderítés során azonban nem a lokátor a felderítő eszköz, hanem a felderítés éppen a lokátorra irányul, ezért meg kell határoznunk, hogy mit is értünk a rádiólokátor paraméterei alatt. A rádiólokátor paraméterei alatt mindazon jellemzők összességét értjük, amelyek megtalálhatók a rádiólokátor kisugárzásában. Lényegében azon információk összességét értjük, amelyek meghatározhatók a rádiólokátor kisugárzások elektromágneses rezgéseiből a vételi helyen - a rádiótechnikai felderítő berendezés települési helyén.

6.1 RÁDIÓLOKÁTOR KISUGÁRZÁSOK JELLEMZŐI Először is azt kell meghatározni, hogy mit is értsünk rádiólokátor kisugárzások alatt és a rádiólokátor kisugárzások jellemzőin. Rádiólokátor kisugárzások alatt a rádiólokátorok által használt frekvenciatartományba eső rádiólokációs célokra alkalmazott elektromágneses rezgéseket értjük. A rádiólokátor kisugárzások jellemzői alatt azon információk összességét értjük, melyeket a rádiólokáció céljára felhasznált elektromágneses hullámokból nyerhetünk. A rádiólokátor kisugárzások jellemzői közé tartozik: - a rádiólokátor állomás üzemi frekvenciája, valamint - modulációs jellemzők. A rádiólokációs kisugárzást, jellege alapján két fő csoportra lehet osztani: - folyamatos (CW) és - impulzusjellegű (diszkrét). A rádiólokátor kisugárzások osztályozása jellegük szerint a 6.1. ábrán látható.

- 149 -

Rádiólokátor kisugárzások jellemzői Rádiólokátor kisugárzás

Folyamatos

Modulálatlan

Impulzus

A kisugárzás jellege alapján

Modulálatlan imp. sorozuat

Modulált impulzus sorozat

Modulálatlan

Modulált

Modulálatlan csoport impulzus

Modulált csoport impulzus

A moduláció jellege szerint

Ampitúdómodulált

Frekvenciamodulált

Fázismodulált

PAM

PPM

PTM

PFM

A moduláció neme szerint Kódmoduláció

Imp. száma alapján

Imp. helyzete alapján Imp. szélessége alapján

6.1. ábra A kisugárzások osztályozása

- 150 -

A csop.-ban lévő imp. száma


6.1.1 Impulzusjellegű rezgések

Az impulzusok lehetnek videó- vagy rádióimpulzusok. Videó-impulzus rövid ideig tartó feszültség vagy áramlöket, egy állandó feszültség vagy áramszinthez viszonyítva, melynek formája tetszés szerinti lehet (6.2. ábra). τ

a., ideális

b., valós

U U

t T

t

6.2. ábra Videoimpulzus

Rádióimpulzus alatt rövid ideig tartó rádiófrekvenciás rezgéseket értünk, melynek burkoló görbéje impulzusalakú (6.3. ábra). a., Ideális

b., Valós

τ U0

t

t

T

6.3. ábra Rádióimpulzus

A 6.2.a. és 6.3.a. ábrákon ideális négyszög alakú videó- és rádióimpulzus képe látható. A valóságban ilyen meredek felfutású impulzusok nincsenek. Az ideális videó- és rádióimpulzusok jellemzői U0 – impulzus amplitúdó, Ti - impulzus periódusidő,

- 151 -

28BRádiólokátor kisugárzások jellemzői

fi - impulzus ismétlődési frekvencia, f i =

1 Ti

τ - impulzusszélesség, fv - nagyfrekvenciás rezgés vivőfrekvenciája (csak rádióimpulzusok esetén). A fenti jellemzőkön kívül találkozunk még a kitöltési tényező fogalmával. A kitöltési tényező értelmezése:

γ=

τa

(6.1) T mely szimmetrikus négyszögimpulzus (meander) esetén γ = 0,5. Ezen kívül alkalmazzák még a terhelési arány megjelölését is, mely a kitöltési tényező reciproka: Q=

T

τa

(6.2)

Rádiólokációnál az átlagos terhelési arány Q = 100...1000 nagyságrendű. Ha az impulzusok egy (vagy több) meghatározó adata valamely információ (híranyag) szerint változik, akkor az impulzusok moduláltak. Az egymás után következő azonos formájú impulzusok impulzus-sorozatot alkotnak. Az impulzus-sorozatokban az ismétlődési periódusidőnek megfelelően (Ti), ismétlődhetnek egyes és csoportos impulzusok. Az elmondottak alapján beszélhetünk: - Modulálatlan sorozatról. - Modulált impulzus-sorozatról. - Modulálatlan csoport impulzusokról. - Modulált csoport impulzusokról. 6.1.2 Nem modulált impulzus-sorozat

A nem modulált impulzus-sorozatot jellemző paraméterek: - impulzusszélesség, τ - impulzus-amplitúdó, U0, - impulzus periódusidő, T, illetve frekvencia fi, - kitöltési tényező, γ, illetve terhelési arány, Q, - impulzus forma (négyszög, háromszög, trapéz fűrész stb.), - az impulzus frekvenciaspektrumának szélessége, Δf.

- 152 -


6.1.3 Modulált impulzus-sorozat

Ha az impulzusok egy (vagy több) meghatározó adata valamely információ (híranyag) szerint változik, akkor az impulzusok moduláltak. A modulációt a következő paraméterekkel jellemezhetjük: - a moduláció formája, - a moduláció neme, - a moduláció frekvenciája, - a moduláció mélysége. Attól függően, hogy milyen meghatározó adata változik az impulzusoknak ismerünk: - impulzusamplitúdó-modulációt (PAM), - impulzusfázis-modulációt (PPM), - impulzusidőtartam-modulációt (PTM), - impulzuskód-modulációt (PCM), - impulzusfrekvencia-modulációt (PFM). - fázis kódmodulációt. 6.1.4 Nem modulált csoport (széria) impulzusok

Az átviendő információ mennyisége nagymértékben megnő, ha nem egy impulzus, hanem több impulzus ismétlődik periodikusan (6.4. ábra). U

τcs τ

t T1

Tcs

6.4. ábra Nem modulált impulzussorozat

Az ilyen impulzuscsoportokat a felsoroltakon kívül még a következő kiegészítő paraméterek jellemzik: Tcs - a csoport periódusideje, T1, T2 - az egyes impulzusok periódusideje a csoportban, τ1 τ 2 - az egyes impulzusok időtartama (szélessége). Néha alkalmaznak nem azonos impulzuscsoportokat (6.5. ábra). - 153 -

28BRádiólokátor kisugárzások jellemzői

τ

U

Tcs1

t

Tcs2 T

6.5. ábra Nem azonos impulzus sorozatok

A frekvenciaspektrum alapján megállapítható: - a csoport impulzusok ismétlődési frekvenciája, - az impulzusok ismétlődési frekvenciája a csoportban, - az impulzusok szélessége. 6.1.5 Modulált csoport impulzusok

Az információ tartalmat még tovább bővíthetjük, ha a csoport impulzusokat moduláljuk. A jellemzők nagy száma miatt nagyon sok különféle moduláció valósítható meg. Modulált csoport impulzusokkal találkozunk például a rádiólokátorok kisugárzásainak vételénél. Az impulzussorozat csak a két iránykarakterisztika találkozásának időpontjában éri vevőberendezésünket. A vett jelek idő szerinti elosztása a rádiólokátor téráttekintési módjától, az amplitúdója a két iránykarakterisztika formájától és viszonylagos helyzetétől függ. A továbbiakban mindazon ismertebb módszerek és fogások összességét tárgyaljuk, melyek segítségével az elektromágneses rezgésekből meghatározhatók a rádiólokátorok paraméterei és települési körzetük oldalszöge, azaz iránya. Melyek is a rádiólokátorok főbb paraméterei? A nem modulált impulzusüzemű rádiólokátorok a következő főbb paraméterekkel rendelkeznek: - vivőfrekvencia, - impulzusszélesség (impulzus időtartam), - impulzusismétlődési frekvencia, - impulzusszéria hosszúság, - antenna forgási sebesség (széria ismétlődési frekvencia).

- 154 -


A rádiólokátor paramétereit alapvetően két fő módszerrel lehet meghatározni: - frekvenciamódszer, - időmódszer. A frekvenciamódszer a frekvencia-spektrum vizsgálatán és az ebből levonható következtetések összegzésén alapul. A frekvencia-spektrum alapján meghatározható a lokátor összes főbb paramétere. Az egyes lokátor állomások frekvencia-spektruma annyira jellemző információ, hogy a frekvenciaspektrumból nemcsak a lokátor főbb paraméterei és ebből a típusa határozható meg, hanem az adott rádiólokátor egyedi azonosítása is biztosítható. A frekvenciamódszer hátránya az, hogy nagyon bonyolult, költséges frekvencia spektrumanalizátor szükséges a kellő minőségű frekvenciaspektrum biztosítására, és ezen spektrumanalizátor nem minden esetben alkalmazható a különböző harcászati viszonyok és körülmények között. Az időmódszer az egyes paraméterek lefolyását vizsgálja a kisugárzási idő alatt. Az időmódszer általában oszcilloszkópos vizsgálat segítségével valósítható meg. A továbbiakban az egyes paraméterek mérésének egyedi módszerével foglalkozunk.

6.2 VIVŐFREKVENCIA MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI A vivőfrekvenciát két fő módszerrel lehet meghatározni: - kereséses és - keresés nélküli. 6.2.1 A keresés nélküli módszer

A keresés nélküli módszert a 6.6. ábra mutatja. Mindegyik vételi csatorna (antenna, vevőkészülék, indikátor) a felderítési frekvenciatartomány adott hullám sávjára van méretezve. A vevőcsatornák sávjai lehetnek folytatólagosak (6.6.a. ábra) és átfedésesek (6.6.b. ábra). A folytatólagos esetben nagyobb az átfedett felderítési frekvenciatartomány azonos számú és azonos sávszélességű csatornák esetén, mint az átfedéses esetében. Az átfedéses módszer a vivőfrekvencia meghatározása pontosságában kisebb hibával dolgozik azonos csatornaszám és sávszélesség esetén, mint a folytatólagos módszer.

- 155 -

Vivőfrekvencia meghatározásának módszerei

a.,

F2

Δfn

ΔFf

ahol: ΔFf = felderítési sáv Δfn = egyes vevők frekvenciasávja m

Δf2

n =1

Δf1

F1 b.,

ΔFf = ∑ Δf n

F2

Δfn

ahol: 1,2 = átfedési sáv m

ΔFf

ΔF f ≤ ∑ Δf n n =1

2

Δf2 1

Δf1

F1

6.6. ábra A keresés nélküli módszer

6.2.2 A kereséses módszer

A kereséses módszer lényegét a vivőfrekvencia meghatározásánál a 6.7. ábra mutatja. A vevőcsatorna teljes felderítési frekvencia tartományát időnként, adott sebességgel, egy meghatározott sávszélességű vevővel (mely kisebb a vevőantenna sávszélességénél) végigpásztázzák. Indikátorként hosszú utánvilágítású katódsugárcsövet alkalmaznak frekvencia kalibrált kitérítéssel. A vízszintes kitérítésnek itt adott frekvencia értékek felelnek meg. A felderített rádiósugárzás a katódsugarat függőleges irányban téríti ki. A jelek megjelenésének helyzete alapján a frekvenciaskálához viszonyítva lehet meghatározni a felderített vivőfrekvencia értékét. Az SZDR-2 M típusú rádiótechnikai felderítő állomásban található egy ilyen panorámarendszerű vevőkészülék, mely a vivőfrekvencia meghatározását és pontosítását segíti elő.

- 156 -


Ua

Frekvencia kilövések

F1 F2

Fn

F3

ΔF

6.7. ábra A kereséses módszer

A kereséses módszerek közé tartozik még a rezonáns és az üttetéses módszer. 6.2.2.1

A rezonáns módszer

A rezonáns módszernél egy üregrezonátor mechanikai méreteinek változtatásával hangolunk rá a vivőfrekvencia értékére. Az üregrezonátor hangoló szervéről (nóniusz stb.) olvasható le a vett jel frekvenciája. A rezonanciát mutatós műszer maximális kitérése, vagy katódsugárcső képernyőjén megjelenő jel indikálja. 6.2.2.2

Az üttetéses módszer

Az üttetéses módszer blokkvázlata a 6.8. ábrán látható. Az ismeretlen és az ismert jelet keverőkapcsolásra adjuk. A keverőkapcsolás a két bejövő jel szorzatát képezi. Legyenek a jelek: ux = Ux cosωxt (6.3) un = Un cosωnt (6.4) A két jel szorzata:

U x ⋅U n [cos(ω x −ω n )t −cos(ω x +ω n )t ] 2 (6.5) A keverő kimenetén megjelenő jel tehát tartalmazza a két frekvencia összegét és különbségét. Aluláteresztő szűrő segítségével az összegfrekvenciát kiszűrjük és a kimenetre a különbségi frekvencia jut, melyet: h) egyenfeszültségű műszerrel, i) oszcilloszkóppal, vagy

ux ⋅ un = Ux Un cosωxt ⋅ cosωxt =

- 157 -

Impulzusszélesség (időtartam) meghatározásának módszerei

j) szelektív indikátorral jelenítünk meg. Un (ωx - ωn)

(ωx + ωn)

Fn Fx

11

(ωx - ωn)

Ux 6.8. ábra Az üttetéses módszer

a.) esetben: ωx ≅ ωn, ekkor a műszer mutatója ωx - ωn frekvenciával ide-oda leng. Ha a műszer lassúbbodó lengések után megáll, akkor ωx = ωn b.) esetben: az oszcilloszkópon csökkenő frekvenciájú jelet látunk, amelynek amplitúdója kondenzátoros bemenetű oszcilloszkóp esetén szintén csökken. ωx = ωn esetén a képernyőn vízszintes vonal jelenik meg. c.) esetben: a kimenetre kapcsolt szelektív indikátor feszültségmérője csak akkor tér ki, ha ωx, - ωn = ωs ahol ωs az indikátor saját frekvenciája. A kifejezésből kiszámítható az ωx mert ωx = ωn + ωs (6.6) A módszer pontossága az ismert jel frekvenciapontosságától függ. A legelterjedtebb a c. pont szerinti kapcsolás. Ezeknél a műszertípusoknál az un generátor be van építve a berendezésbe és az un változtatására szolgáló gomb 1 közvetlenül f x = (ω n + ω s ) -re van skálázva. 2π A módszer minden esetben összehasonlító típusú.

6.3 IMPULZUSSZÉLESSÉG (IDŐTARTAM) MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI

Az impulzusszélesség meghatározásánál számolni kell azzal, hogy az impulzusok szélessége és formája változhat a terjedési viszonyok, valamint a vevőkészülék sávszélességének, erősítési viszonyainak függvényében. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy az impulzusszélesség változása 10-50 százalékos határok között mozoghat, melyet a 6.9. ábra szemléltet. A következő módszereket alkalmazzák az impulzusszélesség (időtartam) meghatározására: - időmódszer, - kalibrált indított kitérítési módszer, - 158 -


- kondenzátor töltésének módszere, - automatikus módszer, - spektrum módszer. 1. jel

2. jel

mérési szint

t

τ2 τ1 6.9. ábra Impulzusszélesség változása

6.3.1 Időmódszer

Időmódszer esetén oszcilloszkópot alkalmazunk. A mérendő jel a függőleges kitérítő lemezpárra jut, a vízszintes lemezpárra fűrészalakú kitérítő feszültséget adunk, mellyel a kitérítés időben változó nagyságú lesz. A vizsgálandó jelre visszük fel az időléptéket, beépített vagy külső időjel generátor segítségével. Ezek az időjelek fénykioltással, fénykivilágítással, vagy két jel összegzésével állíthatók elő (6.10. ábra). Az időjelek egymástól való távolsága meghatározott időnek felel meg. A kalibrált időjelek idejét beszorozva az impulzuson megszámlált jelek számával megkapjuk a mért τ impulzusszélességet. vizsgálandó jel

τ = n⋅α

U

fűrész t

α = kalibráló α

impulzus 6.10.a. ábra Időjelek előállítása fénykioltással

- 159 -

Impulzusszélesség (időtartam) meghatározásának módszerei

Vizsgálandó jel U t t U

α

Vezérlő rácsra

6.10.b. ábra fénykivilágítással

Vizsgálandó jel + időjel U t

U

α

t

t U

6.10.c. ábra A két jel összegzésével

például ha α - a kalibrált jelek értéke (=1 μsec) n - a jelek száma az impulzuson (= 4) akkor az impulzusszélesség τ = 4 μsec. 6.3.2 Kalibrált indított kitérítés

Kalibrált indított kitérítés módszerénél az impulzusok formáját és szélességét gyors indított kitérítő katódsugárcső indikátorral és speciális késleltető művonal segítségével lehet meghatározni (6.11. ábra). A vett impulzus indítja a kitérítő generátort és a késleltető művonalon keresztül haladva függőleges irányba a vízszintes kitérítés segítségével kirajzolja az impulzus formáját. A vízszintes kitérítés időben kalibrált, a függőleges kitérítés amplitúdóban. A késleltető művonal szerepe a függőlegesen kité- 160 -


rítő lemezpárra jutó jel késleltetése, mivel a kitérítés generátorának működése kis időkéséssel történik. A késleltető művonal megfelelő méretezésével biztosítható a függőleges és vízszintes kitérítés kezdetének szinkronizációja. Ez különösen meredek felfutású impulzusjelek esetén lényeges. Késleltető művonal

Impulzus

Kitérítő generátor

τ Időskála

6.11. ábra Kalibrált indított kitérítés

6.3.3 Kondenzátor töltésének módszere

Kondenzátor töltésének módszerénél a vett impulzus állandó amplitúdójával egy kondenzátort tölt fel. A kondenzátor töltési ideje az impulzus szélességével arányos. A kondenzátor feszültsége arányos a mindenkori töltési idővel (ideális kondenzátor töltést tételezünk fel). Megmérve a kondenzátor feszültségét meghatározható az impulzus szélessége (6.12.a. ábra). U

τ τ Ukonst. t1

t2

10

t

2 τ2

t3

Uk

τ1

Uk≅τ2.

t

1 2 1 0

0

t t1

t2

t3

a.,

b.,

6.12. ábra Kondenzátor töltésének módszere (a.) és az indikátor jele (b.)

A kondenzátor feszültségének mérése általában egy katódsugár indikátor sugarának eltérítésével történik. A sugár kitérítését megbízhatóan abban az esetben tudjuk észlelni, ha gondoskodunk a jó megfigyelés feltételeiről. A gyakorlati módszer az, hogy bizonyos időtartamig a sugarat olyan feszültség - 161 -

Impulzusismétlődési frekvencia (időtartam) meghatározásának módszerei

téríti ki, melynek nagysága a kondenzátor feltöltött feszültségével egyenlő. Így ennek a feszültségértéknek megfelelő kitérítési szinten a képernyőn egy fénylő pontot kapunk (6.12.b. ábra). 6.3.4 Automatikus módszer

Automatikus módszer alkalmazásánál az impulzus kezdetén egy szinusz feszültséget adó generátort indítunk, mely az impulzus szélességének megfelelő ideig működik. A szinusz jeleket formáljuk és a formált jeleket egy számláló áramkörrel leszámoljuk. Abban az esetben például, ha a generátor frekvenciája fá-á4áMHz és öt jelet számoltunk n = 5, akkor az impulzusszé1 1 lesség τ =n =5 ⋅ 0,25 sec = 1,25 sec . A mérési pontosság ± (állandó perióf f dus-idejű jelek esetén egy periódusidejű bizonytalanságú - a digitális technikában jól ismert számlálási törvényszerűség alapján). 6.3.5 Spektrummódszer

Az impulzusjeleket a rádiólokátorok adói, a mindenkori technikai állapotuknak, egyedi technikai jellemzőiknek megfelelően sugározzák ki, a frekvencia-spektrum alakja alapján, azonos vevőberendezést és analizátort feltételezve, lehetséges az egyes állomások egyedi azonosítása.

6.4 IMPULZUSISMÉTLŐDÉSI FREKVENCIA (IDŐTARTAM) MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI

Az impulzusismétlődési frekvencia, ugyanúgy mint a vivőfrekvencia értéke, nem függ a terjedési és vételi tényezőktől. A következő módszerekkel lehetséges meghatározni az impulzusismétlődési frekvenciát: 1.) Összehasonlító módszerek: - hallás után, - kalibrált frekvenciával történő összehasonlítással, - hanggenerátor jelével történő összeüttetéssel, - a kitérítés szinkronizálásával. 2.) Kalibrált indított kitérítési módszer. 3.) Időjelek módszere. 4.) Automatikus módszer. 5.) Spektrum módszer. - 162 -


6.4.1 Összehasonlító módszer:

6.4.1.1

Hallás után

Hallás után az ismétlődési frekvencia meghatározható, de a kezelőtől jó hallást kíván. Kellő gyakorlat és megfelelő hallás alapján a kezelő elfogadható mértékben meg tudja határozni a vett impulzusjel ismétlődési frekvenciáját. Ez a módszer pontatlan, mindenkor a kezelő kiképzettségének és hallásának függvénye. 6.4.1.2

Kalibrált frekvenciával való összehasonlítás

Kalibrált frekvenciával való összehasonlítás az előbbinél pontosabb módszer. A meghatározás történhet kétsugaras oszcilloszkóppal, vagy filmszalag (6.13. ábra). A módszer lényege az, hogy az impulzusszériát egy ismert és pontos frekvenciájú léptékjellel hasonlítjuk össze. Ha a kalibráló jelek periódusideje TK = 2 msec (fk = 500 Hz), akkor az impulzusok ismétlődési periódusideje 4 msec, így az ismétlődési frekvencia F = 250 Hz. Ez a módszer alkalmas a szériahosszúság, valamint az impulzusszériák (csoportok) ismétlődési periódusidejének mérésére is.

6.13. ábra Kalibrált frekvenciával való összehasonlítás

6.4.1.3

Hanggenerátor jelével való összeüttetés

Hanggenerátor jelével való összeüttetésnél a hanggenerátor hiteles hangfrekvenciáját egy katódsugár oszcilloszkóp egyik kitérítő lemezpárjára, a másik kitérítő lemezpárra a mérendő jelet vezetjük. A két frekvencia megegyezésénél a képernyőn egy Lissajous görbe jelenik meg. Az ismétlődési frekvencia egyszeres görbe esetén a hanggenerátor skáláján közvetlenül leolvasható.

- 163 -

Impulzusismétlődési frekvencia (időtartam) meghatározásának módszerei

6.4.1.4

A kitérítés szinkronizálása

Az impulzusok ismétlődési frekvenciáját mérő katódsugár indikátor kitérítő generátorának frekvenciája kalibrált, amikor a képernyő alapján sikerül a jel képét megállítani és csak egy jel látszik, akkor a kitérítés frekvenciája megegyezik az impulzusok ismétlődési frekvenciájával. Az eddigi módszerek közül ez a legpontosabb és a kitérítés frekvencia pontosságától függően 0,01 % mérési pontosság is elérhető. 6.4.2 A kalibrált indított kitérítési módszer

A kalibrált indított kitérítési módszer hasonló az impulzusszélesség mérésére alkalmazott kapcsolással, de itt nem lényeges késleltető művonal alkalmazása. A vett jelek indítják az indikátor kitérítését. A kitérítés hossza állítható a várt mérési tartománynak megfelelően. A kitérítés nagysága időben, azaz 1 frekvenciában ( T = ) kalibrálva van. f Az egyes impulzusok észlelése történhet csak a vezérlőrács fénymodulációjával (6.l4.a. ábra), vagy a jelet a függőleges kitérítés lemezpárjára vezetve függőleges kilövés formájában (6.l4.b. ábra). F

F

b.,

a., 800

400

800

200 Hz

400

200 Hz

6.14. ábra Vezérlőrács fénymodulációja (a.) és függőleges kitérítés (b.)

A leolvasási pontosság növelése érdekében a leolvasást a harmadik impulzusnak megfelelően végezzük, a skála osztása is ennek felel meg. 6.4.3 Időjelek módszere

Időjelek módszerénél a periódusidő (ismétlődési frekvencia) mérési időléptékjelek segítségével történik. Az időjelek lehetnek fénykioltásosak, fénykivilágításúak vagy két jel összegezésűek. A periódusidő (T) vagy az ismétlődési frekvencia (F):

- 164 -


T = nα

F=

1 T

(6.7)

ahol - α - az időjelek léptéke, - n - az egy periódusban megszámlálható jelek mennyisége (6.15. ábra - 7 db)

6.15. ábra Időjelek módszere

6.4.4 Automatikus módszer

Automatikus módszernél egy pontosan meghatározott frekvenciájú szinuszgenerátor az idő alatt működik, míg az impulzusok között szünet van. A szinusz jeleket formálva egy digitális számláló számlálja ezeket a formált impulzusokat. Az impulzusszélességet hozzáadva az így számlált időközhöz a műszer jelzi az impulzusok periódusidejét (frekvenciáját) (6.16. ábra). U

τ T n

t T = n⋅ Tn + τ t

Tn 6.16. ábra Automatikus módszer

Másik alkalmazott automatikus módszer, ahol az impulzusok egy kondenzátort töltenek fel, melyet meghatározott időnként kisütnek. Nagyobb ismétlődési frekvenciánál a kondenzátoron jelentkező feszültség nagyobb lesz. A feszültséget indikálva mérhető az impulzusok ismétlődési frekvenciája.

- 165 -

Impulzusszéria hosszúság meghatározásának módszerei

6.4.5 Spektrummódszer

Spektrummódszernél a mérés megbízhatósága attól függ, hogy milyen a spektrum analizátor felbontóképessége, vagyis a KF erősítő sávszélessége. Kis sávszélesség esetén a frekvencia-spektrum diszkrét alkotóinak egymástól való távolsága az ismétlődési frekvenciával egyenlő.

6.5 IMPULZUSSZÉRIA HOSSZÚSÁG MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI

Abból kiindulva, hogy a rádiólokátorok általában nem egy adott állandó irányba sugároznak, hanem változó irányba, ezért rögzített antennájú vétel esetén impulzusszériákat (csoportokat) kapunk. Ugyanez a helyzet, ha a rádiólokátor antennája áll (helyesebben a rádiólokátor antenna iránykarakterisztikájának térbeli helyzete nem változik), de a rádiótechnikai felderítő állomás vevőantennája irány szerinti keresést végez. A szériahosszúság nagysága a rádiólokátor antenna iránykarakterisztika szélességével arányos. A szériahosszúságot mérhetjük: - kalibrált frekvenciával való összehasonlítás, - hallás után, - kalibrált indított kitérítés módszerével. 6.5.1 Kalibrált frekvenciával

A kalibrált frekvenciával való összehasonlítás módszerét már az előzőekben ismertettük. 6.5.2 Hallás után

Hallás után való meghatározás esetén mérni kell azt az időt, ameddig az ismétlődési frekvenciának megfelelő tónussal hallható a jel. 6.5.3 Kalibrált indított kitérítés módszere

Kalibrált indított kitérítés módszerénél az eddigiektől való eltérés az, hogy még lassabb a kitérítés. A kitérítési idő úgy kell megválasztani, hogy egy teljes impulzusszéria mérhető legyen (6.17. ábra).

- 166 -


b.)

a.)

0 2 4 6 8 10 12 14 ms

6.17. ábra Kalibrált indított kitérítés amplitúdó modulációval (a.) és fénymodulációval (b.)

6.6 ANTENNA FORGÁSI SEBESSÉG MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI

Ha rádiótechnikai berendezésünk vevőantennája a célra irányított helyzetben áll, akkor a rádiólokátor impulzusai, körkörös üzemmódban dolgozva, mindegyik fordulatnál egy-egy impulzuscsoportot alkotnak. A rádiótechnikai (lokátor) állomás antennájának forgássebessége: 60 nRTA = [fordulat/perc] (6.8) TRTA ahol TRTA - a rádiótechnikai állomás antenna iránykarakterisztikájának forgási periódusideje percekben kifejezve. A forgássebesség ismeretében a mérési szintnek (0,7 E) megfelelő iránykarakterisztika szélessége (Θα) a vízszintes síkban mérve: 360 ⋅Tszéria Θα = (6.9) TRTA ahol Tszéria - az impulzusszéria hosszúsága (másodpercekben). Az antenna iránykarakterisztikájának szélessége, az impulzusok időtartamához hasonlóan, csak a mérési szinttől függ. Antenna forgási sebesség mérési módszerei: - időmódszerrel, - kalibrált indított kitérítés alkalmazásával. 6.6.1 Időmódszerrel

Időmódszerrel úgy állapítjuk meg az antenna forgási sebességét, hogy a kezelő a fejhallgatóban hallott jelek, illetve az indikátor ernyőkön megjelenő képek között eltelt időt méri - az az antenna forgási ideje (TRTA) - és ebből - 167 -

A modulált impulzusjelek formájának és jellemzőinek meghatározása

meghatározza az antenna forgási sebességet (nRTA) az előbb említett képlet segítségével. Általában nemcsak két széria megjelenése közötti időt mérünk, hanem a mérési pontosság növelése érdekében 10 széria időt veszünk. A stopperórát az első megjelenő (hallható) jellel egyidőben indítjuk és a következő megjelenéskor számoljuk a szériákat tízig. 6.6.2 Kalibrált indított kitérítés

Kalibrált indított kitérítés alkalmazása igen elterjedt módszer. A kitérítési időnek legalább olyan nagynak kell lennie, hogy a képernyőn egyidejűleg két széria jelenjen meg. Itt is fénymodulációt (6.18.b. ábra), vagy amplitúdómodulációt (6.18.a. ábra) alkalmazhatunk.

b.,

a.,

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 TRTA

TRTA

6.18. ábra Kalibrált indított kitérítés amplitúdó modulációval (a.) és fénymodulációval (b.)

6.7 A MODULÁLT IMPULZUSJELEK FORMÁJÁNAK ÉS JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSA

Modulált sorozat, illetve csoport impulzusok vétele esetén a jelek formájának és jellemzőinek meghatározására két módszert alkalmazunk: - az oszcilloszkóp ernyőjének megfigyelése és fényképezése, - indított kalibrált képkitérítés alkalmazása. 6.7.1 Oszcilloszkópos megfigyelés

Az oszcilloszkóp ernyőjének megfigyelése és fényképezésénél film felvevőgéppel vagy fényképezőgéppel lefényképezzük az indikátoreső képernyőjét és a képek kidolgozása után gondos elemzésnek vetjük alá a kapott felvételeket, melyekből általában meghatározhatók "A rádiólokációs kisugárzá- 168 -


sok jellemzői" című fejezetben tárgyalt, a modulált impulzusjeleket jellemző paraméterek. 6.7.2 Indított kalibrált kitérítés

Indított kalibrált képkitérítés alkalmazásánál az első vett impulzus egy kalibrált képkitérítést indít. Ez azt jelenti, hogy mind a vízszintes kitérítő, mind a függőleges kitérítő lemezpárokra kalibrált fűrészfeszültség jut és az elektronsugár a televízióhoz hasonlóan ("B" típusú kitérítés) sorokban futja végig a képernyő teljes felületét. A jelek vételi idejüknek megfelelően fénymoduláció eredményeképpen jelentkeznek a képernyőn. A két kitérítés ismeretében lehetséges a jelek időparamétereinek mérése (6.19. ábra).

6.8 A FOLYAMATOS JELLEGŰ REZGÉSEK JELEI MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI

6.8.1 Nem modulált folyamatos jelek

Nem modulált folyamatos jelek vétele esetére a vivőfrekvencia, valamint a kisugárzási idő meghatározása szükséges. t1

t2

t3

1

2

3

1

2

3

.

.

.

.

.

.

1

2

3

T T

a.)

b.)

TM

6.19. ábra Nem modulált folytonos hullámú jelek vétele a.) impulzus amplitúdómodulációval, b.) impulzusok száma alapján történő moduláció

A vivőfrekvencia meghatározása az ismertetett módszerek valamelyikével, a kisugárzási idő mérése óra segítségével történik.

- 169 -

Rádiólokátorok oldalszögének mérési módszerei

6.8.2 A modulált folyamatos jelek

A modulált folyamatos jelek vivőfrekvenciájának meghatározása ismeretes. A többi jellemző: - modulációs forma, - modulációs frekvencia, - modulációs mélység meghatározása vagy oszcilloszkóp segítségével időmódszer alapján, vagy spektrumanalizátor alkalmazásával a frekvencia módszer alapján történhet.

6.9 RÁDIÓLOKÁTOROK OLDALSZÖGÉNEK MÉRÉSI MÓDSZEREI A rádiólokátorok települési helyének (körzetének) meghatározásához meg kell állapítani azt, hogy azok milyen oldalszög alatt vehetők, illetve az elektromágneses hullámok frontja milyen irányból érkezik. Ebből a célból az elektromágneses hullámok terjedési frontjának iránymeghatározását, azaz iránymérést kell végrehajtani. Iránymeghatározást alapvetően következő főbb módszerek szerint lehet végrehajtani: - maximum mérési módszerrel, - minimum mérési módszer, valamint - összehasonlító módszer alkalmazásával. 6.9.1 Maximum mérési módszer

Rádiólokátorok irányának meghatározását a maximum mérési módszer alapján a következők szerint lehet végrehajtani. A mérő ponton - azaz az iránymérő állomáson - olyan eszközzel kell rendelkezni, amelynek antenna sugárnyalábja jól kifejezhető (behatárolható) maximummal rendelkezik. A mérés lényege a 6.20. ábrán látható, amely abból áll, hogy addig kell forgatni a vevő ponton az antenna sugárnyaláb karakterisztikáját, míg az maximális jelszintet nem biztosít. A rádiótechnikai felderítő állomáson a vett jel maximális szintje esetén határozható meg a mérendő rádiólokátor iránya - azaz oldalszöge. A maximum mérési módszer igen elterjedt a centiméteres és a deciméteres hullámtartományban, mivel ezekben a frekvenciasávokban viszonylag kicsiny antenna méretek esetén biztosítható a megfelelő - jól kifejezett maximummal rendelkező - sugárnyaláb kialakítása. A maximum mérési módszer előnye: - a viszonylagos egyszerűség, - 170 -


- gyors iránymeghatározás, - fedélzeti eszközön (repülőgép, helikopter, hőlégballon, gépjármű) is alkalmazható, mivel mozgás közben is lehet irányt mérni. A módszer hátrányos tulajdonsága: - viszonylag kis iránymérési pontosság, a mérési hiba σβ = (0,15 -á0,3) Θβ, - nehéz, vagy lehetetlen megállapítani a mozgó rádiótechnikai rádiólokációs) eszközök irányát.

6.20. ábra Maximum mérési módszer

A módszer mérési pontossága fokozható az úgynevezett "villázási" eljárással, mely a 6.20. ábrán is látható. Ebben az esetben addig kell forgatni a mérőállomás antennáját és ezzel egyidejűleg a sugárnyaláb karakterisztikát, míg egyenlő erősségű jelszintet (pl. 0,5 dB, vagy 0 dB) kapunk. Ebben az esetben a mérendő rádiólokátor oldalszöge: β +β β= 1 2 (6.10) 2 Ezt a módszert alkalmazzák az RPSZ típusú rádiótechnikai felderítő berendezésekben. 6.9.2 Minimum mérési módszer

A mérési módszer lényege abból áll, hogy az iránymérő állomás sugárnyaláb karakterisztikáját, vagy antennáját - mellyel együtt változik a karakterisztika - addig kell forgatni, amíg a karakterisztika minimum pontja nem néz a mérendő rádiótechnikai (rádiólokátor) állomás irányába. Alapvetően három fő típusú sugárnyaláb karakterisztikát állítanak elő, ahogy ezt a 6.21. ábra is mutatja. - „nyolcas” (a. ábra) - 171 -


- „lóhere” (b. ábra) - „szív”, vagy „kardioid” (c. ábra). É

É

a.)

b.)

β

É

β

β

c.)

6.21. ábra A minimum mérési módszer fő iránykarakterisztikái

Az első kettő hátránya az, hogy a mérés pillanatában, azaz a nulla vételi helyen nem egyértelmű az iránymeghatározás. Az elsőnél kettő, a másodiknál pedig négy ilyen minimum hely létezik. A minimum mérési módszer előnye: - a viszonylagos egyszerűség, - a maximum módszernél jóval magasabb mérési pontosság. A módszer hátrányos tulajdonsága: - a minimum helyen nincs vétel így nem könnyű azt megtalálni, mivel ha az ellenállomás nem ad, akkor nincs jel és az is felfogható minimumnak, - viszonylag hosszú idő szükséges az iránymeghatározáshoz. A módszer mérési pontossága: σβ = (1 - 2)° (6.11) Ez a módszer a rádiótechnikai felderítés területén még nem terjedt el széleskörűen, elsősorban a rövid- és az ultra-rövidhullámú frekvenciasávban üzemelő eszközök mérésére használják. 6.9.3 Összehasonlító módszer

Az összehasonlító módszer tovább osztható: - amplitúdó és

- 172 -


- fázis összehasonlító módszerre. Az amplitúdó összehasonlító módszeren belül három főbb eljárás különböztethető meg, illetve napjainkban a következő eljárások ismeretesek, vagy kerültek alkalmazásra: - egyenlőjel módszer, - három-antenna módszer, - monoimpulzus módszer. 6.9.3.1

Amplitúdó összehasonlító módszer

Egyenlőjel módszer Az egyenlő jel módszer esetén a mérőállomás (rádiótechnikai felderítő berendezés) olyan antennarendszerrel rendelkezik, amely kettős sugárnyalábot hoz létre, melyek egymást megfelelő (általában félteljesítményű) szinten keresztezik (6.19. ábra). A mérendő állomás irányát, illetve irányszögét akkor lehet meghatározni, vagyis megállapítani, ha a két antennától vett jel erőssége (szintje) egyenlő.

a.)

Δl U1

b.)

Δl U2

U2

c.)

U1

-U2

-U1

6.22. ábra Egyenlő jel módszer iránykarakterisztikája (a.), a vett jel meghatározás indikátoros (b.) és elektronikus módszerrel

Az egyenlőjel kijelzésére, illetve meghatározására alapvetően két eljárást alkalmaznak: - indikátoros (katódsugaras) kijelzés (6.22.b.), melyen belül lehet: • amplitúdó összehasonlítás, vagy

- 173 -


• szög összehasonlítás, - elektronikus meghatározás (6.22.c.), mely méri a beérkező két jel amplitúdóját és egyenlőségük esetén jelzést ad az oldalszög leolvasásához. A módszer előnyös tulajdonsága: - mérési pontossága többszöröse az előzőekénél, - viszonylag egyszerűen megoldható. A módszer hátrányos tulajdonsága: - növekszik a mérésre fordított idő, - az oldalszög mérését nem a maximális jelszinten kell végrehajtani, hanem az egyenlőjel szintjén, amely általában a félteljesítményű szint, így csökken a felderítési és mérési távolság. A módszer mérési pontossága: σβ = (0,01 - 0,1) Θ0 (6.12) Ezt a módszert alkalmazzák a nagy hatótávolságú felderítő állomások esetében, például az SZDR típusú állomások esetén. Három-antenna módszer A három-antenna módszer (6.23. ábra) az egyenlőjel módszer továbbfejlesztett változata, amikor is az egyenlőjel eljárást kiegészítették a maximum módszer előnyös tulajdonságaival. Ebben az esetben a rádiótechnikai felderítő mérőállomás olyan antennarendszerrel rendelkezik, mely három egymástól elkülöníthető, de egymást átfedő sugárnyaláb karakterisztikával rendelkezik. Az összeg sugárnyaláb karakterisztika, tulajdonképpen az iránymeghatározó karakterisztika pedig egy igen határozott, keskeny eredővel rendelkezik. A mérendő állomás oldalszögét akkor kell leolvasni, amikor is maximális jelerősség jön létre a középső antennán és a két szélső antennáról beérkező jel nagysága egyenlő. Ebben az esetben az iránymérő jel, az ábrán látható indikátoron függőleges helyzetet foglal el. A módszer előnyös tulajdonsága: - a mérés a maximális jel esetén történik, - meghatározható mozgó célok iránya is, valamint mozgási irányuk követhető, - mérési pontossága viszonylag magas. A módszer hátrányos tulajdonsága: - viszonylag bonyolult felépítés, - tökéletesen egyforma iránymérő csatornákat tételez fel. Ezt a módszert alkalmazzák az olyan légicél felderítő állomásoknál, melyeknél követelmény a gyors mérés és a jó célkövetési képesség.

bal

- 174 -

jobb közép


6.23. ábra Három-antenna módszer

Monoimpulzus módszer A módszer ugyanazt az antennarendszert alkalmazza, mint amelyet az egyenlőjel módszernél alkalmaznak (6.24. ábra). A mérendő állomás irányátávalójában egyetlen beérkező jel monoimpulzus) alapján meg lehet határozni a térerősségek összevetése alapján. A mérendő állomás oldalszögét a következő összefüggés alapján lehet meghatározni: ⎛E ⎞ β= f⎜ 1⎟ (6.13) ⎝ E2 ⎠ ahol: β - a mérendő állomás oldalszöge, f - a vett jel térereje és az oldalszög közötti függvény értéke E1 és E2 - a vett jel térereje a különböző antennákon. A módszer igen pontos mérőberendezést igényel, melyet gyors számítástechnikai eszközzel kell kiegészíteni, hogy a függvényszámítást minden egyes beérkező jelre elvégezve átlagolja a számított értékeket. A módszer előnyös tulajdonsága: - az oldalszög századfok pontossággal határozható meg, - nem igényel bonyolult antennarendszert.

- 175 -


6.24. ábra Monoimpulzus módszer

6.9.4 Fázis összehasonlító módszer

Fázis összehasonlító módszer esetén olyan antennarendszerrel és vevő/adatfeldolgozó berendezéssel kell rendelkezni, amely igen pontosan képes mérni és rögzíteni a beérkező elektromágneses energia hullámfrontjának beesési szögét, azaz a hullámfront fázishelyzetét (6.25. ábra). É B A2 β

Elektromágneses energia hullámfortja

β

β

A1

b Vevő Indikátor 6.25. ábra Fázis összehasonlító módszer

Amint az az ábrából is kitűnik az elektromágneses energia hullámfrontjának egyazon helyei (maximum, minimum stb.) különböző időpontokban, idővel eltérve érik el az antennákat. Ebből következően a beeső hullámfront fáziskülönbsége: Δϕ = 2π⋅f⋅Δt (6.14) ahol f = a vett jel frekvenciája és Δt = a beesési időkülönbség (késés). A késési idő az ábrán feltüntetettek szerint: AB Δt = 1 (6.15) c

- 176 -


ahol AlB - távolság, c - a fény terjedési sebessége (3 ⋅ 108 m/s) Az A,B A2 háromszögből pedig A1B = b ⋅ sinβ (6.16) ahol b - az antennák közötti távolság (bázis) és β - az antennák síkjára emelt merőleges és az elektromágneses hullámok beesési frontja közötti szög. Behelyettesítve 6.14-be: AB b ⋅ sin β (6.17) Δϕ = 2πf 1 = 2πf c c azaz 2π Δϕ = ⋅b ⋅sin β (6.18)

λ

ebből következően

λ ⋅ Δϕ 2πb

(6.19)

λ Δϕ β = arcsin ⋅ b 2π

(6.20)

sin β =

melyből

A módszer pontossága ebből következően függ: - az antennarendszer bázisától (b), minél nagyobb a b értéke, annál pontosabban mér a rendszer, - a fáziskülönbségnek (Δϕ) azonban mindig kisebbnek kell lenni 360°-nál 2π), mivel ellenkező esetben a mért érték nem egyértelmű. A fentiek figyelembevételével célszerű lenne maximálisra növelni a b értékét, azonban bizonyos határokon túl pedig a fáziskülönbség értéke szab határt. A b konkrét értékét mindig a berendezés minimális frekvenciájára, azaz maximális hullámhosszúságára tervezik. A monoimpulzus módszert jelenleg működő rádiótechnikai felderítő berendezésben irányszög meghatározásra még nem alkalmazzák, azonban rádiólokátor állomásoknál már innen, az úgynevezett fázisvezérelt rácsantennás berendezések fizikai alapját képezi.

- 177 -


FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Forgon Miklós: Rádiólokáció elméleti és rendszertechnikai alapismeretek, Főiskolai jegyzet, [2] Elektronikai kézikönyv Műszaki könyvkiadó, 1981, Budapest [3] Bozsóki István - Gödör Éva - Farkas Botond: Rádiórendszerek II. Tankönyvkiadó, 1992, Budapest [4] Dr. Bozsóki István - Farkas Botond - Gödör Éva: Rádiórendszerek II. Műegyetemi Kiadó, 1994, Budapest [5] Ferenczy Pál: Híközléselmélet Tankönyvkiadó, 1974, Budapest [6] Dr. Istvánffy Edvin: Tápvonalak, antennák és hullámterjedés Tankönyvkiadó, 1984, Budapest [7] Roger Freeman: Radio System Design for Telecommunication (1 100 GHz) J. Wiley,1987 [8] M. Skolnik: Radar Handbook, McGraw-Hill, 1990 [9] Géher Károly főszerkesztő: Híradástechnika Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993

- 178 -

Készült: a BJKMF nyomdájában Nyomdavezető: Veverka László nyá. alezredes Kiadja: Bolyai János Katonai Műszaki Főiskola Felelős kiadó: Dr. Farkas Tivadar mk. vezérőrnagy főigazgató Készült: 100 példányban Egy példány: 106 lap Kapják: a Rádióelektronikai Felderítő Tanszék hallgatói Ára: 1000 Ft/példány

- 179 -

RÁDIÓLOKÁCIÓ ALAPJAI

Recommend Documents