Marine Zeebrugge
De moderne navigatieradar
Radar
Root server » TechTalk » Marinebasis Zeebrugge » Radar » Moderne navigatieradar
-

-

De meest bekende radar is de navigatieradar die op schepen gebruikt wordt om hindernissen op tijd te detecteren. Aan wal worden dergelijke radars gebruikt om de navigatie te controleren op de waterwegen (Nauw van calais, Noordzee, Westerschelde,...

Zo'n radar komt het meest overeen met het beeld dat we van een radar hebben: een draaiende antenne die radiopulsen uitstraalt en het echo ontvangt en verwerkt. De gebruikte frekwentie voor navigatieradars ligt rond de 10GHz. De meeste radars werken met hoog vermogen pulsen: de radar werkt 1s en luistert gedurende 999s. De herhalingsfrekwentie bedraagt hier 1000Hz. De herhalingsfrekwentie is mede bepalend voor het bereik van de radar.

Magnetron et modulator

De zender bestaat uit een magnetron die kort ingeschakeld wordt en een hoogfrekwente puls levert met een vermogen van ongeveer 25kW voor een navigatieradar. Omdat de pulsduur zeer kort is, is het gemiddeld vermogen laag, in de orde van 200W.

Om de magnetron in en uit te schakelen gebruikt men een modulator, die is een electronische schakelaar die de hoogspanning naar de magnetron doorlaat en onderbreekt. De gloeispanning voor de magnetron is altijd aanwezig (de magnetron is eigenlijk een soort diode uit het buizentijdperk).


Circulator

Duplexer

Het signaal van de magnetron wordt naar de antenne gestuurd door middel van een golfgeleider, zeg maar een holle buis. Een golfgeleider (met de juiste afmetingen) veroorzaakt minder verliezen dan een coaxiale kabel. Het echosignaal wordt door de antenne ontvangen en volgt dezelfde weg, maar in omgekeerde richting.

De ontvanger is aangesloten op dezelfde golfgeleider, maar om die te beschermen als de magnetron werkt is er duplexer geplaatst tussen magnetron, antenne en ontvanger. Er bestaan verschillende systemen om de ontvanger te beschermen, en vaak worden er twee verschillende systemen achter elkaar gebruikt: ringkerncirculator, TR/ATR switch en PIN diodes.

De ringkerncirculator heeft drie ingangen/uitgangen. Het radiosignaal kan enkel ibn n richting "draaien": het signaal kan van poort 1 naar poort 2 gaan, van poort 2 naar poort 3, enz, maar niet in omgekeerde richting. De ringkern is sterk magnetisch gemaakt door een extern veld, waardoor men verschillende propagatiesnelheden bekomt in de ene en andere richting.

Veronderstel dat het signaal binnenkomt via poort 1. Het signaal kan twee kanten op, naar uitgang 2 of naar uitgang 3. Door de verschillende bewegingssnelheid komt het signaal in fase toe aan poort 2 en in tegenfase op poort 3. Het signaal kan dus afgetamp worden op poort twee, terwijl er geen signaal is op poort drie. De circulator moet aangepast worden aan de gebruikte magnetronfrekwentie om een correcte faseverschuiving te hebben. De circulator mag niet gepend worden, want dit zou het magnetisch veld kunnen wijzigen.

Er is een verlies van enkele dB in de goede richting en een verzwakking van 30dB in de verkeerde richting. De demping is voldoende om de ontvanger te beschermen in het geval van een navigatieradar.

Een andere type duplexer is de T/R switch. Het bestaat uit een gasontladingslamp die in de golfgeleider geplaatst wordt, juist voor de ontvanger. Als de radar aan het zenden is, dan wordt het gas geonideerd tot een geleidende plasma (boogontlading), zodat de straling tegen gehouden wordt. Het duurt een tijdje vooraleer dat er een plasma gevormd wordt: om die tijd te verkorten wordt er een kleine spanning over de gasontladingslamp gezet. De spanning is voldoende om een glimontlading te veroorzaken, maar geen geleidende plasma.

De PIN diode is een diode met een extra weinig doorlatende laag tussen de P en N laag (intrinsieke laag: dit is een laag zonder extra P of N geleiders). Als men een hoogfrekwent signaal op de diode zet, dan hebben de vrije electronen in de intrinsieke laag niet de tijd om de zone te verlaten, ze worden gewoon heen en weer geschud: de laag is dus geleidend.

Als men de diode zo polariseert dat die in geleiding is, dan heeft de diode een lage impedantie voor het hoogfrekwent signaal. Wordt de diode omgekeerd gepolariseerd, dan gedraagt de diode zich als een isolator. Door de "I"-laag heeft de diode een verwaarloosbare eigen capaciteit.

De PIN diode kan geschakeld worden als AAN of UIT schakelaar naargelang de polariteit (TR en ATR switch: transmit-receive en anti-transmit receive switch). De diode verbreekt de verbinding tussen antenne en ontvanger en zet terzelfdertijd de ontvanger aan de massa, waardoor men een goede verzwakking bekomt.

Ontvanger

De ontvanger bestaat uit een low noise voorversterker gevolgd door een mengtrap die het antennesignaal met het signaal van een locale oscillator (heterodyne) mengt. De ontvanger verschilt in weze niet van een gewone radio-ontvanger (super ontvanger), behalve dat de gebruikte frekwenties veel hoger liggen. Het middenfrekwentsignaal zit doorgaans op 50MHz en er zijn veel meer versterkertrappen dan in een radio ontvanger (dit is nodig omdat de gain sterk veranderd moet worden. De middenfrekwent versterker laat enkel een kleine frekwentieband door en onderdrukt zo de meeste storingen.

De frekwentie van de magnetron is niet erg stabiel en de frekwentie van de locale oscillator moet constant bijgesteld worden zodat het middenfrekwentsignaal in het midden van de doorlaatband valt (auto tune).


Videosignaal
Een echo heeft als minimale lengte de duur van de magnetronpuls. Schepen die "korter" zijn dan de puls kunnen wel gedetecteerd worden, maar hun afmeting wordt verlengt tot de duur van de puls. Twee schepen die naast elkaar varen kunnen aagezien worden als n enkel schip.
Het signaal wordt dan AM gedetecteerd zoals in een oude radio en men bekomt een signaal dat "video" genoemd wordt (zoals het videosignaal in een oude televisie). Men zet duidelijk waar de radaristen hun mosterdnomenclatuur gehaald hebben. Naast de amplitudedetectie is er ook een discriminator (frekwentie) om de lokale oscillator bij te sturen.

Het signaal dat men bekomt kan nu naar een oscilloscoop gestuurd worden (voor controle) maar moet eerst bewerkt worden om naar een radarscherm gestuurd te worden (PPI scherm). Het videosignaal op een oscilloscoop komt overeen met een A scope, dit was het eerste systeem dat gebruikt werd om de echo's zichtbaar te maken.

Het videosignaal is bijzonder zwak en steekt nauwelijk uit boven de storingen. De echo's van nabij gelegen doelen zijn veel sterker dan de echo's van verder gelegen doelen. Om een aanvaardbaar beeld te hebben is er een sterke bewerking nodig:

  • Men gaat eerst een wiskundige correctie toepassen (STC: sensitivity time control) waarbij de gevoeligheid van de ontvanger verzwakt wordt na de puls (main bang) en versterkt wordt voor echo's die later toekomen (verafgelegen doelen). Echo's van dichtbij gelegen doelen zijn immers veel krachtiger dan echo's van veraf gelegen doelen. Deze correctie is nodig om te vermijden dat de versterkertrappen zouden overstuurd worden door sterke reflecties. Deze correctie ligt vast en wordt bepaald door de natuurlijke verzwakking van het antennesignaal.

  • Men gaat ook doorlopend de gain van de versterkertrappen aanpassen aan het ontvangen signaal zodat het ruisniveau altijd constant blijft(Constant false alarm rate). Echos vallen daardoor beter op om een radascherm. De algemenen versterker heeft zo een logaritmische versterking, waarbij zwakke signalen sterker versterkt worden dan sterke signalen, om zo tot een redelijk gelijkmatige achtergrondruis te hebben op het scherm. De correctie werkt sneller dan de automatische volumeregeling bij een radio.

  • Bij sommige systemen is er ook een gezamelijke correctie, die op een bepaald gebied van het scherm aktief is. Deze correctie is nodig om het effekt van lokale weerfenomenen te beperken op het scherm (hagel, stortbuien,...). Deze functie is niet aanwezig bij alle radars en kan ten alle tijde uitgeschakeld worden. Een te sterke correctie kan ervoor zorgen dat kleine doelen niet meer zichtbaar zijn op het scherm.
Links de STC curve in het rood om de versterking te verminderen voor nabij gelegen doelen (de versterking wordt beperkt na de magnetronpuls). In het blauw hebben we de versterkercurve en we zien direct twee doelen (die boven de ruis uitsteken).

Met de STC kan men het sunburst effekt vermijden: het midden van het scherm dat veel reflecties vertoont (doorgaans zijn dat golftoppen of reflecties tegen delen van het schip zelf). De STC moet nmaal ingesteld worden na de plaatsing van de radarantenne (hoogte boven het water).

De duur van een radarpuls is bepalend voor de eigenschappen van de radar: met een korte puls kan men geen hoog vermogen uitsturen en veraf gelegen doelen kunnen niet gedetecteerd worden. Met een lage puls is de radar echter blind gedurende de duur van de puls en kan men geen nabijgelegen doelen detecteren. De echo is immers al terug terwijl de radar nog aan het zenden is.

Om dit probleem te vermijden zal men de pulsduur aanpassen aan het bereik van de radar. Bij het binnenvaren van een haven (lage snelheid) zal men korte pulsen gebruiken om een gedetailleerd beeld van de omgeving te hebben, bij het varen op open zee zal men lange pulsen gebruiken om schepen en hindernissen op tijd te detecteren.

Plan Position Indicator

Tegenwoordig gebruikt men een PPI indicator waarbij een hindernis dichtbij het schip een blip dicht bij het centrum van het scherm geeft, terwijl een veraf gelegen hindernis een blip aan de omtrek van het scherm geeft. Vroeger gebruikte men een fosforlaag met lange persistentie, zodat het beeld bij iedere omwenteling van de radarantenne versterkt werd. Zo kan men de storingen beter onderdrukken (golftoppen) die zich verplaatsen tussen twee antenne omwentelingen.

De eerste radarschermen hadden een draaibare deflectiespoel die gesynchroniseerd was met de draaing van de antenne. Als de antenne naar voren gericht was, dan weest de defectiespoel ook naar voren. Voor de synchronisatie zijn er twee signalen van belang: een boegsignaal (nulpunt) als de radar naar voren wijst (A) en een azimuthsignaal (B) om de synchrone motor op de luiste snelheid te laten draaien. Er zijn bijvoorbeeld 360 azimuthpulsen per omwenteling. Deze twee signalen worden in de antenne zelf opgewekt.

Het is altijd de zwaardere antenne die de motor van de deflectiespoel stuurt en niet het omgekeerde. In het voorbeeld doet de antenne een volledige omwenteling om de 3 seconden.

Het C signaal is het signaal dat naar de modulator gestuurd wordt om de magnetron kortstondig in te schakelen en eventueel ook om de TR switches te doen werken. De pulstijd bedraagt hier 0.5s en de herhalingsfrekwentie (PRF: pulse repetition frequency) is 800s of 1250Hz.

Het D signaal is een zaagtandsignaal die voor de afbuiging van de electronenstraal dient. Het signaal is vergelijkbaar met het zaagtandsignaal van een oscilloscoop, maar de afbuiging is in permanente rotatie. In tegenstelling met een oscilloscoop is er geen verticale afbuiging maar een Z-modulatie (helderheidsmodulatie van de spot). Dit is de reden dat het baseband signaal videosignaal genoemd wordt. In ons voorbeeld, met een pulsherhalingsduur van 800s bedraagt de herhalingsfrekwentie 1250Hz.

Het E signaal is het videosignaal dat naar de wehnelt gestuurd wordt om de lichtstip in helderheid te moduleren. Tijdens de werking van de magnetron is de ontvanger volledig geblokkeerd, dit is nodig om de verzadiging van de versterkertrappen te vermijden. Dit is de dip in de curve tijdens en juist na de uitzending.

Tijdens de ontvangstfase toont het scherm de ontvangen echo's. Een echo dat snel ontvangen wordt is afkomstig van een nabijgelegen doel. Zwakke echo's zijn niet zichtbaar, ze zitten in de ruis. Het signaal dat hier getoond wordt is een gecorrigeerd signaal (STC en constante ruisniveau). Dit maakt het mogelijk een aanvaardbaar beeld te hebben, zelfs in ongustige omstandigheden (felle regen)

Men is overgestapt van een draaiende afbuigspoel naar een meer classike afbuiging met horizontale en verticale spoelen zoals in een televisie. De boegpuls dient om een oscillator te synchroniseren die een sinus en een cosinus produceren (signalen die 90 in fase verschoven zijn). Met deze signalen kan men de spot rondjes laten tekenen op het scherm. De sinus en cosinus worden vermenigvuldigd met het zaagtandsignaal (afbuiging ten opzichte van het midden van het scherm). We hebben een spot die volgende bewegingen aflegt:

  • van het midden van het scherm naar buiten, gesynchroniseerd met de main bang: dat is het zaagtandsignaal met een f = 1250Hz.
  • ronddraaiend met een frekwentie van 0.333Hz zoals de antenne
  • in amplitude gemoduleerd wordt door het videosignaal.
(de "main bang" is de puls van de magnetron).

Redelijk snel na het gebruik van X en Y afbuigspoelen is men digitale schermen gaan gebruiken (computerschermen). Ieder punt van het scherm (er zijn bijvoorbeeld 1000 × 1000 punten) is verbonden met een geheugencel (byte in het werkgeheugen). Er was dus een werkgeheugen nodig van minstens 1MB.

De processor berekent welk punt geschreven moet worden (gebaseerd op de sinus, cosinus en zaagtandspanning). De waarde van die geheugenplaats wordt verhoogd met een waarde van het gedigitaliseerd videosignaal op dit ogenblik. Bij iedere omwenteling van de antenne wordt de waarde verhoogd, zodat men een heldere spot krijgt na een paar omwentelingen. Echo's die niet voldoende stabiel blijven (vogels, golven) kunnen zo gemakkelijk onderdrukt worden.

Het geheugen wordt lijn per lijn uitgelezen (zoals een computermonitor) en produceert een punt dat min of meer zichtbaar is. Na de leesopdracht wordt de waarde verminderd: dit komt overeen met de fosforpersistentie.

De signaalbewerking door middel van een computer maakt het mogelijk het beeld aan te passen aan de omstandigheden, met een veranderlijke persistentie, een betere onderdrukking van ruissignalen, enz. Het is mogelijk een spoort te trekken zodat men de beweging van andere schepen kan zien. De computer kan ook de positie van schepen berekenen en een alarm geven als een ander schip binnen de veiligheidszone zou komen.

Het scherm kan ook GPS data krijgen en zo een kaart tonen bovenop het radarbeeld (met de te volgen route, de kusten, de vaste boeien, de diepte, enz).

De radar wordt ook gekoppeld aan de AIS, dit is de burgerlijke versie van de identification friend or foe. Schepen moeten een transponder aan boord hebben die op de radarpulsen reageert en de identificatie van het schip geeft. Deze informatie wordt op op het radarscherm getoont.

Later is de beeldbuis vervangen door een LCD of OLEd scherm vervangen, maar het principe is hetzelfde gebleven.

Pulsduur

De pulsduur bepaalt het bereik van de radar (langere pulsduur = meer vermogen), maar tijdens het zenden kan de radar niet luisteren. Er ontstaat niet alleen een blinde zone rond het schip, maar twee doelen worden ook aangezien als n enkel doel als ze dicht bij elkaar liggen.

Een pulsduur van 0.5s geeft een blinde zone van 75 meter rond het schip, en doelen die dichter dan 75 meter van elkaar liggen worden als n doel gezien. Moderne radars passen automatisch de pulsduur aan aan het bereik dat geselecteerd is.

Het is ook interessant van een hoge herhalingsfrekwentie te hebben, zodat men door integratien van opeenvolgende pulsen een duidelijker beeld kan bekomen. Maar een hoge herhalingsfrekwentie beperkt ook het bereik van de radar. Bij een herhalingsfrekwentie van 1250Hz is het bereik van de radar beperkt tot ongeveer 100km. Het echo van verder gelegen doelen wordt pas ontvangen als de radar opnieuw aan het zenden is.

Om storingen te vermijden wordt d eherhalingsfrekwentie van bepaalde radars constant lichtjes gewijzigd (staggered PRF). Daarmee kan men storingen van andere radars en apparaten die dezelfde frekwentie gebruiken onderdrukken. Omdat de herhalingsfrekwentie verandert, verandert ook de positie op het scherm van de stoorbronnen. Door de integratie van opeenvolgende beelden verdwijnen deze stoorbronnen, terwijl de echte echo's goed doorkomen.

Frekwentiebanden

Naargelang de funktie van de radar kunnen verschillende frekwentiebanden gebruikt worden. Navigatieradars gebruiken doorgaans de X-band die een aanvaardbaar compromis geeft (frekwenties rond de 10GHz, golflengte van 3cm).

De L-band (1 - 2 GHz) en S-band (2 - 4GHz) hebben een langer bereik en worden voornamelijk door de kustwacht gebruikt (en vliegverkeer).

De X-band (18GHz en hoger) wordt gebruikt voor korte afstanden (snelheidsovertredingen, tellen van voertuigen, enz). De demping van de straling is veel hoger en het bereik is beperkt. Deze frekwentiebanden worden ook gebruikt door weerkundige radars (regen en wolken detectie).

Er bestaan nog andere types radars zoals de monopulse radar en de continu radar, maar dat is stof voor een volgende bladzijde.

Publicits - Reklame

-