Elektronika | Felsőoktatás » Pál Tamás - A rádiólokáció elve

Híradástechnika A rádiólokáció elve Készítette: Pál Tamás Gödöllői Agrártudományi Egyetem Gépészmérnöki kar Kommunikáció-technika szak 1999-04-25 A rádiólokáció elve Rádiólokáción a célok helyének az elektromágneses hullámok segítségével végzett folyamatos meghatározását értjük. A rádiólokáció alapja az elektromágneses hullámok irányíthatósága és visszaverődésük a tárgyakról, a távolságmérésé pedig az elektromágneses hullámok ismert terjedési sebessége: (c3*10 m/s) Helykoordináták értelmezése Az ábrán látható rádiólokátor sugározzon a D távolságra lévő céltárgy felé elektromágneses hullámköteget. Legyen a kisugárzás és a céltárgytól való visszaérkezés között eltelt idő t, akkor D = ct/2 ahol 1/2 a kétszeres útból (a célig vissza) adódó szorzófaktor. Ha az elektromágneses hullámok kisugárzása és vétele a vízszintes és függőleges síkban irányított, akkor a

cél iránya az alapirányhoz (É vagy D) viszonyítva az oldal szöget (ß), a vízszinteshez viszonyítva a célhelyszöget (ε) adja meg. A távolság, valamint a célhelyszög ismeretében a céltárgy a földhöz viszonyított magassága: H = D sin ε + D²/2R ahol H a cél magassága, D cél távolsága, ε a cél helyszöge, D²/2R a föld görbületéből adódó korrekció és R = 8500 km. Tárgyak helyének meghatározása céljából minden rádiólokátorhoz tartozik adó-vevő berendezés, antenna- és tápvonalrendszer, indikátor, antennamozgató rendszer és áramforrás. 2 Az adóberendezés modulálatlan vagy modulált, nagyteljesítményű, nagyfrekvenciás energiát állít elő, amely a tápvonalon keresztült az adóantennára jut. Ez utóbbi energiát elektromágneses hullámok formájában, irányítottan sugározza ki. Ha ezek a hullámok valamilyen céltárgyhoz érkeznek, akkor arról a tér minden irányába tehát a rádiólokátor felé is -

visszaverődnek. A rádiólokátor általános tömbvázlata A célról visszaverődő elektromágneses hullámokat a vevőantenna veszi, és a nagyfrekvenciás teljesítményt a tápvonalon keresztül a vevő bemenetére juttatja. Megfelelő berendezés és modulációs mód alkalmazásával az adást és a vételt egyetlen antenna is elvégezheti. A vevő a bemenetére érkező nagyfrekvenciás jeleket középfrekvenciás jelekké alakítja át, majd erősíti, detektálja, és az indikátorokba juttatja őket. Az indikátorok a vevőtől jövő detektált jeleket (képjeleket) láthatóvá teszik. Lehetnek egy, két vagy háromdimenziós indikátorok, amelyeket az egyszerűség kedvéért gyakran betűjelzéssel látnak el. Néhány alapvető indikáció látható a következő ábrán: Indikátortípusok a) b) c) d) e) f) A-típusú P-típusú J-típusú B-típusú RH-típusú C típusú 3 Rádiólokátorok osztályozása és működési tartománya A rádiólokátorok

általános rendeltetése, hogy méréseik alapján információt szolgáltassanak a célok helyéről, mozgásának irányáról és sebességéről. Ehhez a vivőfrekvenciát modulálni kell. A moduláció módjától függően frekvenciaváltozáson alapuló, frekvenciamodulált és impulzus-amplitudómodulált rádiólokátorokat, a felhasznált hullámhossz (a vivőfrekvencia) értékétől függően pedig méteres, deciméteres, centiméteres, infra- és lézerlokátorokat különböztetünk meg. Az egyes rádiólokátoroknál alkalmazott vivőfrekvencia értékét az elektromágneses hullámok terjedési és visszaverődési tulajdonságai határozzák meg. Alapvető követelmény, hogy egyenes vonalban terjedjenek, és a tárgyakról visszaverődjenek. Ennek a 30 MHz feletti frekvencia tartomány felel meg. E tartomány csoportosítása alul látható: Megnevezés Hullámhossz Frekvencia Méteres sáv 10 1m 30 300MHz Deciméteres sáv 1 10cm 300 3000MHz Centiméteres

sáv 10 1cm 3 30 GHz Milliméteres sáv 1 1mm 30 300GHz A méteres és deciméteres sávokat ultra-rövidhullámú, a centiméteres sávot mikrohullámú sávnak is nevezzük. A gyakorlatban a 3 mm 30cm sávot nevezzük mikrohullámúnak, ezeken kívül lokációs célokra ma már az infravörös és lézersugarakat is felhasználják, melyek frekvenciatartomány 11 14 3*10310 Hz nagyságrendű. A rádiólokátorok céljaira felhasznált frekvenciatartománynak egy, a fentiektől bizonyos mértékig független felosztása is szokásos, ahol az egyes sávokat titkossági okokból betűjelzéssel látták el. A betűjelzéseket a következő táblázat mutatja: Frekvenciasáv betű jelölése Frekvenciasáv UVCs L S Sz H Ki K K0 Milliméteres sáv 300 1000MHz 1000 2000MHz 2000 1000MHz 4000 8000MHz 8000 12500MHz 12, 5 18 GHz 18 26, 5 GHz 26, 5 40Ghz >40 GHz 4 Folytonos adású rádiólokátorok Frekvenciaváltozáson alapuló rádiólokátorok Egy kiválasztott

céltárgy radiális sebessége a Doppler-effektus felhasználásával modulálatlan, folytonos adású rádiólokátorral is mérhető. (Radiális sebességen valamely célsebességnek a rádiólokátor felé, vagy tőle elmutató sebesség összetevőjét értjük.) A radiális sebesség értelmezése A Doppler-elv szerint: ha egy folyamatos adású adó (CW) f frekvenciájú hullámmal sugároz be egy adott céltárgyat, és a céltárgynak az adóhoz viszonyítva radiális sebessége (νr) vagy nagyobb, vagy kisebb lesz, attól függően, hogy a céltárgy az adó felé közlekedik, vagy attól távolodik. Az adó által kisugárzott jel frekvenciájától való eltérést dopplerfrekvenciának (fd) nevezzük. Ha reflektált jel frekvenciája az adó jeléhez viszonyítva nagyobb, akkor a dopplerfrekvencia pozitív, ha pedig kisebb, akkor negatív. Tehát fd-t úgy határozhatjuk meg, hogy a reflektált jelet az adó jeléhez viszonyítjuk. A dopplerfrekvencia képzésének

általános tömbvázlata 5 A dopplerfrekvencia számszerű meghatározásához tekintsük az ábrán látható CW adó által kisugárzott elektromágneses hullám egy szakaszát. Az AB hullámszakasz a fény terjedési sebességével halad. A hullámszakasz B vége az A helyre t idő múlva ér Ez az idő: t = d/c A dopplerfrekvencia számszerű meghatározásának elve Ha a hullámszakasz útjában álló céltárgy van, azt ugyanennyi ideig világítja meg. Haladjon a céltárgy az adó irányába νr radiális sebességgel. Ekkor a hullámnak a céltárgyhoz viszonyított sebessége c+ νr. A d hosszúságú út megtételéhez szükséges időt jelöljük t1-gyel, ennek értéke: t1 = d/c + νr Ez alatt a céltárgy által megtett út: S = νr t1 = νr [d / (c + νr)] A hullámszakasz B végének ennyivel kevesebb utat kell megtennie a céltól a rádiólokátorig. Az út megtételéhez szükséges idő (t2): t2 = s/c = (νr t1) / c = (νr d) / [c(c+ νr)] Mint a fölül

elhelyezkedő ábrán látható, a hullámszakasz megrövidült ennek értéke időben kifejezve: t1 - t2 = d/(c+ νr) - [(νr d) / c(c+ νr)] = (d/c) [(c - νr) / (c + νr)] 6 A fenti kifejezésből látható, hogy a vételi idő az adás idejéhez viszonyítva (c - νr) / (c + νr ) arányában csökkent. E csökkent idő alatt ugyanannyi periódus érkezik vissza, mint amennyit az adó kisugárzott. Ez csak úgy lehetséges, ha közben megnőtt a frekvencia. A növekedés mértéke arányos az idő csökkenésével A gyakorlatban megvalósítható, a Doppler elv alapján működő rádiólokátor tömbvázlata Legyen az adó oszcillátora által előállított 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-zel keverik. Utóbbit valamilyen stabil

oszcillátorral állítják elő. Az összegző keveréssel nyert fü = 3030 MHz-es jellel keverik a visszavert jelet A két jel (fü és fv) különbségére hangolt középfrekvenciás jelet a detektor egyenirányítja. Ennek kimenetén fd adódik, s ezt erősítés után az indikátorra vezetjük. Frekvenciamodulált rádiólokátorok Ha egy folytonos adású rádiólokátorral 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 változást az adóoszcillátor frekvenciájának középértékéhez (f0) 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 rádiólokátor 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. A következő ábrán látható (vastag vonallal jelölve) a moduláló jelek hatására létrejövő frekvenciaváltozás, (szaggatott vonallal) pedig a t = 2 D/c időkéséssel visszaérkező jel frekvenciaváltozása. Ha moduláló jel hatására létrejövő teljes frekvenciaváltozást Δf-fel jelöljük, akkor az f0 közepes frekvenciához viszonyítva a frekvenciaváltozás + vagy - Δf/2 értékű. A távolságmérés elve lineáris frekvenciamodulációval 7 a) b) c) Adófrekvencia változása és vételfrekvencia eltérése Keverő kimenet Adás és vétel időbeni eltolódása a legnagyobb mérhető távolságnál Δf nagyságát az adóoszcillátor kivezérlési

tartományán 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. FM rendszerű rádiólokátor tömbvázlata A modulátor állítja elő az ábrán folytonos vonallal ábrázolt moduláló jelet, melynek időbeli lefolyása szerint változik az oszcillátor frekvenciája. Az ábrán láthatóváltozat szerint lineárisan frekvenciamodulált rezgéseket az antenna elektromágneses hullámok formájában, irányítottan kisugározza a térbe. Ugyanakkor az adó oszcillátorától folyamatosan mintafrekvenciát juttatunk a vevő keverő detektorába. A mintafrekvenciát gyakran referencia jelnek is nevezzük. A folytonos adású rádiólokátorok előnyei és hátrányai: Előnyei: felépítésük viszonylag egyszerű, a szükséges csúcsteljesítmény kicsi, így nincs szükség

nagyfeszültségű modulátorra, az álló és mozgó tárgyakat meg tudják különböztetni. Hátrányai: viszonylag kis távolságok mérésére alkalmazhatók, a szolgáltatott információk száma korlátozott, gyakorlatilag csak egyetlen céltárgy adatát mérik, külön adó és vevő antenna szükséges. Alkalmazásuk: közelségi gyújtóban, repülőgépek fel- és leszállásának irányításához, repülőgépek magasságának méréséhez, repülőgép navigációhoz, lövedékek sebességének mérésére, polgári életben tehervagonok rendezéséhez és gépkocsik sebességének ellenőrzésére. Impulzusrendszerű rádiólokátorok Impulzus - amplitudómodulált rádiólokátorok A folytonos adású ,rádiólokátorok hátrányai nagymértékben csökkenthetők impulzusmoduláció alkalmazásával. Ennek lényege, hogy rövid ideig tartó (0,110μs) nagyfrekvenciás impulzus kisugárzása után az adás szünetel. A két adóimpulzus közötti 8 időt vételre

használják. A rádiólokátor típusától és hatótávolságától függően egy s alatt 50 8000 impulzus kisugárzása szokásos. Az adás és vétel időbeni eltolódása miatt egy antennával mindkét feladat megoldható. Ilyen rendszerű berendezésekkel a feladatok sokasága oldható meg, ezért legelterjedtebben impulzus - amplitudómodulált rádiólokátorokat használnak. Impulzus - amplitudómodulált rádiólokátor Az adó nagy teljesítményű nagyfrekvenciás rövid időtartalmú impulzusukat állít elő. Az impulzusok az adás - vételkapcsolón és a nagyfrekvenciás tápvonalon keresztül az antennára kerülnek, amely azokat irányítottan a térbe sugározza. A célokról reflektálódott impulzusokat az antenna nagyfrekvenciás rezgésekké alakítja, amelyek a tápvonalon és az adás - vételkapcsolón keresztül a vevőbe jutnak. A vevő szuper - rendszerű, így a vett jelet frekvenciatranszponálás után felerősíti, majd detektálja. A detektált jelek

további erősítés után a rádiólokátor indikátorára kerülnek a vevő összeerősítése általában 110 dB. MTI (mozgó tárgy indikációs rádiólokátorok) Az MTI rádiólokátor olyan impulzusüzemű rádiólokátor, amely a Dopplereffektus felhasználásával a mozgócélokat meg tudja különböztetni az álló céloktól. Ahhoz, hogy a Dopplereffektust impulzus - lokátorhoz is felhasználhassuk, az szükséges, hogy a vétel egész időtartamára olyan rezgést állítsunk elő, melynek frekvenciája és fázisa megegyezik az adó jelével. Ez az adás és vétel időbeni eltolódása miatt szükséges Egy másik probléma a mikrohullámú jelek erősítése, ezért célszerű az összehasonlítást elvégezni. Impulzusrendszerű rádiólokátorok előnyi és hátrányai: Előnyei: az elérhető nagy hatótávolság, nagy információ sebesség, több cél egyidejű mérésének lehetősége, egyetlen antenna alkalmazása. Hátrányai: bonyolult felépítés, nagy

adóteljesítmény és vevő sávszélesség szükséges. Alkalmazásuk: mozgó földi és vízi célok felderítésére és bemérésére, légi célok felderítésére és bemérésére, vadászirányításhoz, rakétairányításhoz, hajók forgalmának irányítására, mesterséges holdak fellövéséhez. 9 Infralokátor Az aktív infra - optikai felderítés impulzusok kibocsátásával és ételével végezhető el. Az impulzusok kibocsátása és visszaérkezése között eltelt idő arányos a cél távolságával. Infralokátor tömbvázlata A rádiólokátor oszcillátorának itt az impulzus cső felel meg, melyet külön erre a célra terveznek és nagy teljesítményű 10,01ms időtartamú infraimpulzusokat állítja elő. Ezeket a forgás paraboloid tükör a cél felé irányítja. Az ellenreflektor megakadályozza az infravörös sugarak közvetlen terjedését a cél felé. Az impulzuscső táplálását olyan tápegység végzi, melynek kimenete gyakran

kondenzátor. A modulátor ezeket a kondenzátorokat süti ki az impulzuscsövön keresztül. Infralokátor előnyei és hátrányai: Előnyei: a keskeny sugárnyaláb miatt jó a szögszerinti felbontóképesség, a zavaró földreflexiók hatása kisebb, oldal - és hátrasugárzás nincs, kis teljesítményfelvétel, csekély súly és méret, nehezen zavarható és nehezen felderíthető, felépítése egyszerű. Hátrányai: az elérhető kis hatótávolság, időjárási viszonyok befolyása a hatótávolságra Lézerlokátor A lézer -, vagyis fénylokátor céltárgyak helyének pontos bemérésére, sebességük, gyorsulásuk mérésére szolgál. Elvi különbség a lézer - lokátor és a rádiólokátor között nincs. Mindkettő működhet impulzusüzemben, amikor a távolságmérést az impulzus terjedési idejének 10 meghatározásával végzik és folytonos üzemben, amikor a moduláló frekvenciák fázisai hasonlítják össze. A lézerlokátor előnyei és

hátrányai: Előnyei: igen jó felbontóképesség, nagy mérési pontosság, viszonylag kis méretekből következő mozgékonyság. Hátrányai: kis hatótávolság (2030 km tiszta időben) célok felderítése nehéz, légköri viszonyok befolyásolják: Alkalmazásuk: rádiólokátorokkal együtt a célok bemérésére, rávezető és célmegjelölő lokátorként, űrhajózásban, tengeralatti lokációhoz. 11