Podstawy teoretyczne

Funkcje (zadania) radaru

1. Wykrywanie obiektów

2. Pomiar odległości

3. Pomiar kąta położenia obiektów

Pasmo „S” – λ = f = 3GHz (deszcz)

Pasmo „X” – λ = ok. f = 10GHZ

Radar wysyła impulsy:

- wysyłany – sondujący

- powrotny – echo

Schemat blokowy radaru

Czasoster – synchronizator pracy (odległość, kurs). Zamienia zakres (f = 400-4kHz)

Nadajnik

- modulator – przełącznik czasu trwania impulsu (im większy zakres tym większy impuls).

- generator b.w.cz. (magnetron) -

Im większa moc tym zasięg wykrywania lepszy. Moc jest jednak ustawiona na stałe.

Czas trwania impulsu – im dłuższy impuls tym większy zasięg wykrywania ale na ekranie jest większy ślad (zlewanie się).

Na małych odległościach czas trwania - 0,04.

Zakresy decydują o długości czasu impulsu – im mniejsza tym mniejszy czas impulsu. Na dużych zakresach impulsy długie, na małych krótkie a na pośrednich wybór operatora.

Krótki czas impulsu – rozróżnianie lepsze

Długi czas impulsu – wykrywanie lepsze

Długość impulsu – od 12 do 360m.

Nadajnik

modulator – przełącznik czasu trwania impulsu (im większy zakres tym większy impuls).

generator b.w.cz. (magnetron) - im większa moc tym zasięg wykrywania lepszy. Moc jest jednak ustawiona na stałe.

czas trwania impulsu – im dłuższy impuls tym większy zasięg wykrywania ale na ekranie jest większy ślad (zlewanie się). Na małych odległościach czas trwania - 0,04.

Zakresy decydują o długości czasu impulsu – im mniejsza tym mniejszy czas impulsu. Na dużych zakresach impulsy długie, na małych krótkie a na pośrednich wybór operatora.

Krótki czas impulsu – rozróżnianie lepsze

Długi czas impulsu – wykrywanie lepsze

Długość impulsu – od 12 do 360m.

Układ antenowo – falowodowy

• prędkość anteny

• nadajnik kąta położenia anteny

• rezonator echa (SUN – słoneczko)

• monitor mocy (PLUMB – śliwka)

Zysk kierunkowy anteny (G) – mówi nam o zdolności wykrywania kierunkowego. Im większa powierzchnia bloku anteny tym większa wykrywalność.

Rozpiętość pozioma wiązki – od 07 do 3^o

Rozpiętość pionowa wiązki – od 20 kilku stopni do 30^o

Żeby rozpiętość pozioma była mniejsza to antena musi być większa.

Współczynnik tłumienia listków bocznych - stosunek wielkości listka głównego do listków bocznych.

Odbiornik

mieszacz

lokalny oscylator (regulacja na 60 MHz) - POKRĘTŁO STROJENIE

wzmacniacz pośredniej częstotliwości (kryterium granicy widzialności szumów POKRĘTŁO WZMOCNIENIE

ZRW (likwidacja ech od fal (5-7 Mm) poprzez rozróżnialność (szczegółowość); kurczy echa bliskie – POKRĘTŁO ZRW (regulować aż do rozrzedzenia fal, nie likwidować!)

demodulator

rozróżnialnik (likwiduje echa od opadów) - POKRĘTŁO ROZRÓŻNIALNIK

Konsolowa budowa radaru

Każdy morski radar nawigacyjny możemy logicznie podzielić na bloki: nadajnik, układ antenowo-falowodowy, odbiornik, wskaźnik i zasilacz. Jednakże podział ten nie odzwierciedla rozmieszczenia elementów systemu radarowego. W praktyce nadajnik i część odbiornika umieszczone są w jednym zespole zwanym konsolą nadawczo-odbiorczą.

Konsola antenowa

Morskie radary nawigacyjne wyposażone są w obrotowe anteny szczelinowe spełniające rolę zarówno anteny nadawczej jak i odbiorczej. W konsoli tej znajdują się także takie elementy jak układ napędu anteny, nadajnik układu przeniesienia kąta położenia anteny, styki układu kreski kursowej, złącze obrotowe falowodu, falowód, rezonator echa, monitor mocy.

Konsola nadawczo-odbiorczą

W niej znajdują się wszystkie elementy nadajnika, przełącznik nadawanie/odbiór oraz część bloku odbiorczego: oprócz mieszacza i oscylatora lokalnego na ogół także wzmacniacz pośredniej częstotliwości lub jego część. W konsoli tej znajdują się więc elementy niosące zagrożenie promieniowaniem mikrofalowym.

Konsola wskaźnikowa

W niej umieszczone są oprócz lampy radaroskopowej albo monitora ekranowego (raster-scan) pozostałe części odbiornika, układy obrabiające i wzmacniające sygnał wizyjny, układy znaczników. Na płytę czołową wyprowadzone są wszystkie przełączniki i pokrętła regulacyjne konieczne do regulacji radaru i kontroli jego sprawności.

Konsola zasilająca

Większość systemów radarowych stosowanych na statkach nie korzysta bezpośrednio z sieci lecz posiada własne układy zasilające, które dostarczają odpowiednie napięcia do poszczególnych układów. Obecnie stosuje się statyczne przetwornice napięcia, w starszych typach spotyka się przetwornice maszynowe.

Rozmieszczenie konsoli na statku

Konsola antenowa wg zaleceń IMO powinna być zainstalowana w takim miejscu na statku, które minimalizowałoby wpływ pobliskich przeszkód na powstawanie sektorów cienia i półcienia. Umieszczenie na dużej wysokości eliminuje ten wpływ, daje duży horyzont radarowy, jednak wprowadza także skutki ujemne w postaci zwiększenia promienia strefy ech od fal i strefy martwej. Jednocześnie zwiększenie długości falowodu powoduje zwiększenie strat na drodze od anteny do odbiornika i w efekcie spadek zasięgu. Umieszczenie konsoli nadawczo-odbiorczej w bezpośrednim sąsiedztwie konsoli antenowej lub wręcz scalenie ich w jednej obudowie pozwala skrócić do minimum długość falowodu, a tym samym zminimalizować straty energii mikrofalowej. Uniknięcie długiego falowodu pozwala także zmniejszyć koszt radaru. Z drugiej strony takie usytuowanie powoduje utrudnienie czynności serwisowych oraz naraża układy konsoli nadawczo-odbiorczej na wpływ czynników atmosferycznych. Kryterium umieszczania konsoli wskaźnikowej stanowi ergonomia pracy na mostku, a konsoli zasilającej intensywność negatywnych objawów jej pracy, jak pole elektromagnetyczne i efekty akustyczne.

Układ międzyłączeniowy (interswitching)

Wymagania stawiane przez IMO dotyczące statków powyżej 10000BRT przewidują wyposażenie tych statków w dwa urządzenia radarowe. Częstym rozwiązaniem jest układ międzyłączeniowy. Pozwala on zastępować poszczególne konsole jednego radaru konsolami drugiego np. w przypadku uszkodzenia któregoś podzespołu w jednym z radarów (istnieją ograniczenia jeśli oba radary pracują w różnych pasmach X i S). Inne korzyści to: możliwość używania dwóch różnych zobrazowań bądź zorientowań równocześnie, wykorzystanie anten o różnych umiejscowieniach, wykorzystanie różnych pasm X i S np. w zakresie odporności na niepożądane echa od opadów.

Optymalizacja obrazu radarowego

Podstawowym celem działania obserwatora radarowego powinno być pełne wykorzystanie potencjału wykrywania, wszystkie obiekty możliwe do wykrycia winny być rzeczywiście wykrywane przez radar. Procedura regulacyjna prowadzi więc do osiągnięcia maksymalnego prawdopodobieństwa wykrycia obiektów. Efektywność wykrywania każdego radaru ograniczana jest przez parametry techniczne, jak moc nadajnika, charakterystykę promieniowania anteny i czułość odbiornika. W szczególnych przypadkach możliwość wykrywania radaru może być dodatkowo ograniczona przez warunki pogodowe. Szczególnie, że cechy projektowe jak i warunki środowiskowe (zewnętrzne) ograniczają potencjalną efektywność wykrywania obiektów przez radar, umiejętność prawidłowej regulacji wstępnej i kontroli regulacji przez nawigatora ma fundamentalne znaczenie. Niewłaściwe nastawy pokręteł regulacyjnych mogą prowadzić do niewykrycia obiektów. Dla obserwatora radarowego znajomość odpowiednich procedur regulacyjnych prowadzących do optymalnego wykorzystania parametrów technicznych radaru jest więc konieczna.

Procedura regulacji radaru.

Czynności wstępne

Przed włączeniem należy wykonać następujące czynności wstępne:

Upewnić się, czy antena będzie mogła się obracać. W szczególności ważne jest sprawdzenie, czy antena nie jest oblodzona, czy na pomoście antenowym nie ma pracującej załogi oraz czy nie ma możliwości wkręcenia się w antenę luźnego olinowania.

Sprawdzić czy włączony jest główny włącznik zasilania systemów radarowych na mostku. Włącznik ten nie musi znajdować się w sterówce.

Sprawdzić czy następujące pokrętła regulacyjne są skręcone na zero:

• jasność,

• wzmocnienie,

• strojenie,

• jasności znaczników pomiarowych

• ZRW,

• rozróżnialnik,

• ARW (a/c auto).

Wybrać zakres obserwacji zgodnie z zaleceniami producenta (nie dotyczy radarów cyfrowych z klawiszowym wyborem zakresu).

Włączenie radaru.

Przy włączaniu radaru należy wykonać następujące czynności:

przełącznik rodzaju pracy ustawić w położeniu "Pogotowie" ("Standby"). W radarze analogowym usłyszymy wówczas szum cewki odchylającej obracającej się wokół szyjki lampy radaroskopowej. W radarze cyfrowym typu "radial-scan" w momencie włączenia stanu "Pogotowia" może włączyć się alarm, który kasujemy przyciskiem "szybkie centrowanie".

wyregulować oświetlenie skali i symboli. Oświetlenie symboli zewnętrznych regulujemy odpowiednio w zależności od oświetlenia panującego w pomieszczeniu. Skalę i symbole wewnętrzne pozostawiamy zaciemnione.

Dostarczenie energii zasilającej do radaru wraz z włączeniem pogotowia rozpoczyna okres rozgrzania poszczególnych elementów do pracy. Z pewnymi elementami radaru (modulator, generator b. w. cz., lampa radaroskopowa) związane są bardzo wysokie napięcia. Przed doprowadzeniem tych napięć wymagane jest stopniowe podwyższenie temperatury aż do wartości roboczej. Maksymalna wartość czasu przeznaczonego na rozgrzanie radaru określona jest przez rezolucję IMO. która wymaga, aby doprowadzenie radaru ze stanu zimnego do stanu pełnej operatywności (pracy) nie przekroczyło 4 minut.

- podczas rozgrzewania się systemu w stanie "Pogotowia" obserwator radarowy może już wybrać zorientowanie i rodzaj zobrazowania.

- przełącznik rodzaju pracy ustawić w położeniu "Radar włączaony" ("Radar on").

Regulacja podstawowa

Dobór zakresu

Dobór zakresu zależy od zadania realizowanego przez nawigatora. W przypadku skupienia uwagi na konkretnym echu ustawiamy najmniejszy zakres, na którym będzie ono widoczne na wskaźniku radarowym (łącznie z możliwością zdecentrowania obrazu radarowego). W innych przypadkach zakres dobieramy zgodnie z zaleceniami MPDM-u.

Regulacja jasności

Pokrętło jasności ustala poziom podświetlenia pojedynczej plamki lampy radaroskopowej sterując ilością elektronów uderzających w ekran poprzez zmianę napięcia na siatce w lampie radaroskopowej. Ponieważ obecność echa wskazywana jest na ekranie poprzez czasowe zwiększenie tego podświetlenia, właściwa nastawa jasności ma podstawowe znaczenie dla właściwej detekcji ech.

Radary analogowe:

Pokrętło regulacji jasności powinno być tak nastawione, aby obracający się promień podstawy czasu był ledwo widoczny. Gdy jasność jest mniejsza od zalecanej słabe echa mogą być pominięte ponieważ niewielkie wzmocnienie strumienia elektronów może być niewystarczające do uwidocznienia plamki. Natomiast jeżeli nastawa jest zbyt duża echa mogą być niezauważone, nie dlatego, że nie są wyświetlone, ale dlatego, że niewielkie zwiększenie jasności plamki może być trudne do rozróżnienia wśród jasnego tła. Duża jasność będzie również powodować zwiększenie rozmiarów plamki, w rezultacie prowadząc do zmniejszenia rozróżnialności i dokładności mierzonych odległości i kątów. Po wyregulowaniu jasności, w niektórych radarach analogowych ważne jest wycentrowanie zobrazowania względem krzyża namiarowego.

Radary cyfrowe:

W radarach cyfrowych regulacja jasności nie wymaga tak dużej precyzji. Podczas regulacji należy ustalić początkową nastawę jasności tak, aby możliwe było w następstwie wyregulowanie wzmocnienia i strojenia (przy zbyt małej jasności nie zostaną wyświetlone żadne echa, przy zbyt dużej pojedyncze echa staną się zbyt duże i rozmyte, pojawi się niekorzystne tło). W radarach cyfrowych typu radial-scan stosuje się nadal kryterium granicy widoczności podstawy czasu. W radarach raster-scan zasadniczym kryterium jest dobranie jasności stosownie do oświetlenia otoczenia tak aby nie męczyć wzroku i ułatwić postrzeganie nowych elementów na ekranie. W niektórych radarach pomocne jest wybranie ustalonych przez producenta kolorów tła dla określonych warunków zewnętrznych (dzień lub noc').

Procedura regulacji może być interaktywna i wyglądać następująco:

a) ustalić początkową wartość jasności;

b) ustalić właściwą nastawę wzmocnienia;

c) ponownie wyregulować jasność stosownie do panujących warunków oświetlenia otoczenia;

d) wyregulować strojenie;

e) ponownie zmienić nastawę jasności jeżeli jest to konieczne.

W radarach raster-scan nie jest konieczna regulacja jasności od zera.

Regulacja wzmocnienia.

Pokrętłem wzmocnienia obserwator ustala krotność wzmacniania odebranych ech oraz szumów odbiornika we wzmacniaczu pośredniej częstotliwości. W radarach analogowych wzmocnienie powinno być zwiększane aż do momentu, w którym bardzo słabe szumy będą widoczne na całym ekranie. W ten sposób sygnały słabsze od szumów nie będą wykrywane. ale sygnały ech bliskie poziomowi szumów będą mogły być wykryte. W radarach cyfrowych wzmocnienie musi być nastawione tak, aby uzyskać optymalną relację pomiędzy poziomem progowym sygnału a amplitudą szumów (co sprowadza się do podobnego efektu doboru kontrolnej gęstości szumów na ekranie). Operator często nie zmienia tutaj wzmocnienia we wzmacniaczu p. cz., ale właśnie ustala poziom progowy w układzie ADC (analog-to-digital converter - konwerter sygnału analogowego na cyfrowy). Wszystkie szumy, które przekroczą poziom progowy (zwłaszcza w systemach jednostopniowych) będą wyświetlone z tą samą amplitudą co wykrywalne echa. W starszych radarach istniała możliwość powrotu do przekazu analogowego na wybranym zakresie (zazwyczaj 12 Mm). W nowszych systemach obserwator powinien w praktyce odróżnić szumy na podstawie ich losowej natury oraz długości promieniowej indywidualnych impulsów zakłócających (zazwyczaj zajmują pojedyncze komórki pamięci ekranu - piksele).

W radarach raster-scan z bardziej zaawansowaną obróbką cyfrową sygnału pozwalającą na uzyskanie kolorowego obrazu (kilkustopniowe poziomy progów zależne od: amplitudy odebranego sygnału, częstotliwości powtarzania się odebranych impulsów jednego echa oraz powtarzania się ich na określonym kierunku i odległości - co obrót anteny) szumy powinny być widoczne w najciemniejszym odcieniu stosowanych kolorów.

Regulacja strojenia

Rolą pokrętła strojenia jest dobranie częstotliwości oscylatora lokalnego do częstotliwości pracy nadajnika tak aby na wejściu wzmacniacza p. cz. uzyskać przyjętą wartość częstotliwości pośredniej (najczęściej 60 MHz). Należy mieć świadomość, że nawet w przypadku niepełnego dostrojenia silne echa będą ciągle widoczne podczas, gdy echa słabe nie zostaną ukazane.

Stosuje się następujące metody strojenia:

Strojenie na maksymalną ilość ech, a w tym:

strojenie na słabe echo od lądu; łatwo jest znaleźć nastawę, która daje największą intensywność widocznego odbicia, jasność rozbłysku na ekranie będzie największa (radary klasyczne analogowe); obiekt lądowy nie zmienia swoich parametrów odbicia podczas dostrajania radaru, w przeciwieństwie np. do pławy, która kołysząc się na fali może dawać różne poziomy odbitego sygnału podczas kolejnych obrotów anteny;

strojenie na maksymalny promień obszaru pokrytego przez echa do fal; należy pamiętać o wyzerowaniu pokrętła ZRW;

strojenie na największą powierzchnię obszaru ech od opadów; należy pamiętać o wyzerowaniu nastawy rozróżnialnika;

Strojenie na maksymalny promień rozjaśnienia uzyskanego przy użyciu rezonatora echa;

Strojenie przy użyciu wskaźnika dostrojenia zainstalowanego w radarze (np. ścieżka diodowa lub pojedyncza przygasająca dioda);

należy mieć świadomość, że czułość i stopień skalibrowania zastosowanego wskaźnika dostrojenia mogą pozwalać jedynie na zgrubne dostrojenie radaru;

Regulacja dostrojenia powinna być dokonywana bardzo starannie. Podczas zbliżania się do właściwego ustawienia wielkość kolejnych zmian nastawy należy stopniowo zmniejszać. Podczas strojenia z użyciem ech od obiektów należy pamiętać aby echo było odświeżone na ekranie przez kolejny obrót anteny.

Optymalne położenie regulatora dostrojenia może się zmieniać podczas rozgrzewania układów radaru i przez pierwsze trzydzieści minut od włączenia należy często sprawdzać i ewentualnie korygować nastawę. Dostrojenie radaru powinno być kontrolowane co jakiś czas także podczas ciągłej pracy oraz każdorazowo przy zmianie zakresu pracy i zmianie długości impulsu.

Dobór zakresu obserwacji

Zakres obserwacji wyrażony jest przez wartość promienia obszaru zobrazowanego na ekranie w przypadku, gdy środek zobrazowania znajduje się w środku ekranu. W morskich radarach nawigacyjnych stosuje się znormalizowane zakresy obserwacji zgodne z wymogami rezolucji IMO {IMO Performance Standards 1983):

a) 1.5, 3, 6, 12, 24 Mm oraz jeden pomiędzy 0.5 a0.8 Mm;

b) l, 2, 4, 8, 16, 32 Mm

oraz ewentualne zakresy dodatkowe.

Bezpośrednio z wielkością każdego zakresu związany jest czas narastania impulsu piłokształtnego podstawy czasu w radarach analogowych i czas zapisu ech w pamięci radarów cyfrowych. Odpowiada on mianowicie czasowi dotarcia impulsu sondującego plus czas powrotu echa z odległości zakresu. Nie należy jednakże uważać aktualnie wybranego zakresu za maksymalną odległość wyświetlenia ech. W nowoczesnych radarach istnieje możliwość zdecentrowania obrazu radarowego. W ten sposób nawigator uzyskuje dalszą odległość wyświetlania ech w pożądanym kierunku. Skala zobrazowania, a tym samym zakres pozostają bez zmian. Producenci radarów cyfrowych stosują różne techniki decentrowania. Najczęściej spotykane to; płynne przesunięcie punktu startu podstawy czasu w granicach kwadratu wpisanego w ekran, wybranie nowego środka zobrazowania przy pomocy znacznika akwizycyjnego {marker, coursor) lub ustalenie nowego środka na kierunku elektronicznej linii namiarowej co określoną wartość odległości np. 1/3, 1/2 zakresu.

Właściwy dobór zakresu uzależniony jest przede wszystkim od zewnętrznej sytuacji nawigacyjnej oraz prędkości własnego statku. Ogólną zasadą jest taki dobór zakresu dla danych warunków który zapewni najlepszą rozróżnialność radaru i dokładność pomiarów. Na otwartym morzu najczęściej stosuje się zakres 12 Mm, na którym nawet przy maksymalnej prędkości własnej wystarczająco wcześnie, po wykryciu statków na kursach grożących ryzykiem zderzenia, można wykonać odpowiednie manewry wymijające (zob. prawidła MPDM 1983 z pop. z 1993). Co pewien czas warto również w tym celu poszukać obiektów na większych zakresach. W żegludze przybrzeżnej, w cieśninach lub kanałach prawdopodobieństwo zaistnienia sytuacji ryzyka kolizji znacznie wzrasta. W celu utrzymania stałej kontroli sytuacji nawigacyjnej należy więc zredukować prędkość i tym samym umożliwić prowadzenie bezpiecznej obserwacji na mniejszym zakresie 6, 3, 1,5 Mm. Nawigator zyskuje w ten sposób na rozróżnialności radaru i ma większe szansę identyfikacji pobliskich małych obiektów. Określając pozycję przy pomocy radaru oczywisty jest dobór najmniejszego wystarczającego do tego celu zakresu (łącznie z uwzględnieniem możliwości decentrowania).

Dobór długości impulsu sondującego

Impulsy sondujące o określonym czasie trwania, amplitudzie mocy i kształcie wytwarzane są w modulatorze każdorazowo po przyjściu sygnału spustowego z czasosteru. Czas trwania i amplituda impulsu (energia) maja^ zasadnicze znaczenie - dla możliwości wykrywania obiektów przez radar, natomiast jak najbardziej zbliżony do prostokątnego kształt impulsu - dla interpretacji obrazu radarowego oraz dokładności pomiarów radarowych. Długość impulsu sondującego w [m] jest przestrzennym odpowiednikiem jego czasu trwania w milisekundach. Ogólnie, używając impulsu długiego prawdopodobieństwo wykrycia obiektu (poza przypadkami skrajnie bliskich obiektów - min. zasięg wykrywania) będzie większe niż przy zastosowaniu impulsu krótkiego w tych samych warunkach. Zasada ta jest wynikiem działania wzmacniacza p. cz. w odbiorniku, który wzmacnia długie impulsy bardziej wydajnie niż krótkie. W pewnych warunkach, np. gdy echa obiektów są trudno wykrywalne wśród ech od fal i szumów spowodowanych pogodą, użycie impulsu krótkiego może podnieść prawdopodobieństwo wykrycia obiektu pożądanego. Będzie to możliwe na zasadzie zmniejszenia ogólnej energii odbieranych sygnałów i tym samym usunięciu z obrazu radarowego szumów przy pozostawionych echach silniej odbijających obiektów. Z drugiej strony zastosowanie impulsu dłuższego pomoże wykryć obiekty znajdujące się poza strefą opadów, gdyż wysłany sygnał będzie miał większą energię. Długość impulsu ma również zasadnicze znaczenie dla określenia rozróżnialności odległościowej radaru na danym zakresie.

Stosowane są dwie, trzy lub nawet cztery długości impulsu sondującego w zależności od klasy radaru. W radarach stosowanych we flocie handlowej spotyka się impulsy o czasie trwania od 0.05 µs do 1.2 µs. Rzeczywista długość impulsu zależy zazwyczaj zarówno od wyboru jego rodzaju przez operatora radaru (przełącznikiem długości impulsu), jak i aktualnego zakresu. Na zakresach najmniejszych (poniżej 0.25 Mm) i największych (powyżej 12 Mm) standardowo najczęściej wybierane są odpowiednio najkrótsza i najdłuższa z dostępnych długości impulsów. Na zakresach pośrednich operator ma możliwość przełączenia długości impulsu. Pomimo dostępności np. trzech długości impulsu sondującego należy zwrócić uwagę, że na danym zakresie dostępne są zawsze tylko dwie z nich.

Dobór długości impulsu uzależniony jest od dwóch kryteriów zastosowania radaru (podobnie jak w przypadku zakresu):

do bezpiecznego prowadzenia jednostki - wymagana jest max ilość wykrywanych obiektów, czyli powinien być zastosowany impuls długi;

do określenia pozycji - wymagane są jak najmniejsze zniekształcenia ech i związana z tym dokładność pomiaru, czyli powinien być zastosowany impuls krótki.

Ograniczenie zakłócających ech od fal - zasięgowa regulacja wzmocnienia - ZRW

Falowanie morza powoduje powrót części energii mikrofalowej wypromieniowanej przez radar po odbiciu od zbocza fali z powrotem w kierunku anteny. Trzy czynniki wpływają na ogólną ilość i amplitudę ech od fal:

właściwości odbijające niektórych stromych części zbocza fali (kształt fali, stan morza);

odbijanie energii we wszystkich kierunkach od całego frontu falowania;

odbicia od kropelek wody unoszących się nad powierzchnią fali.

W antenach umiejscowionych wyżej stosuje się większą rozpiętość pionowego przekroju charakterystyki promieniowania anteny w celu zmniejszenia strefy martwej wykrywania radaru. Kąt odbicia energii od powierzchni wody jest więc większy co zwiększa prawdopodobieństwo powrotu jej do anteny po odbiciu od fali. Listki boczne powodują dodatkowe zwiększenie tego kąta. Promień pola ech od fal na ekranie wskaźnika rośnie więc wraz z wysokością anteny. Generalnie energia odbijana od fali zmniejsza się wraz ze wzrostem długości fali radarowej w postępie kwadratowym. Wybór pasma S zmniejsza więc w znacznym stopniu skutki spowodowane czynnikami a) oraz c). Ogólnie wysokość umiejscowienia anteny, szerokość pionowego przekroju charakterystyki promieniowania anteny, wybór długości fali radarowej (użycie radaru z pasmem S - 10 cm lub X - 3 cm) oraz długość impulsu sondującego mają wpływ na promień obszaru ech od fal oraz odbitą od pola falowania wielkość energii. Poza dobrymi warunkami pogodowymi sam nawet najlepszy dobór parametrów konstrukcyjnych i wspomnianych elementów regulacyjnych nie wystarczy do satysfakcjonującego zredukowania ech od fal. W tym celu w odbiorniku stosuje się układ zasięgowej regulacji wzmocnienia. Układ ten zmniejsza wzmocnienie na początku sygnału podstawy czasu (lub w początkowym okresie zapisu ech od danego impulsu w pamięci radaru cyfrowego) stopniowo zwiększając je wraz z czasem narastania sygnału podstawy czasu (zapisu w pamięci) do wartości ustalonej pokrętłem wzmocnienia. Operator ma możliwość zmiany początkowej wartości wzmocnienia przy pomocy pokrętła ZRW podczas, gdy stopień wzrostu wzmocnienia do wartości nominalnej jest ustalany przez producenta (charakterystyka układu). Idealna charakterystyka tłumienia ech od fal powinna być zgodna z ich zanikaniem wraz z odległością, czyli odpowiadać funkcji; odległość (nie jest to zmiana liniowa). Zazwyczaj stosuje się układy ZRW o charakterystyce tłumienia w funkcji ekspotencjalnej (e"), która jest wystarczającym przybliżeniem poza bardzo bliskimi odległościami. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia ech obiektów w echach od fal obserwator musi w regularnych odstępach systematycznie korygować nastawę ZRW. Procedura wyszukiwania ech od obiektów w strefie falowania (dobór ustawienia ZRW) powinna wyglądać następująco:

Pokrętło ZRW skręcić do wartości maksymalnej (w prawo).

Redukować małymi krokami jego nastawę i studiować obraz do pojawienia się ech.

Prowadząc dalszą redukcję nastawy należy pamiętać, że położenia ech od fal będą bardziej losowe niż położenia ech od obiektów. Dobrana gęsiość ech od fal powinna pozwolić sprawnie wykrywać echa użyteczne.

Powtarzać procedurę co określony czas (dosyć często) zależnie od prędkości własnego statku, widzialności, typu spodziewanych obiektów i zmiany warunków hydrometeorologicznych.

Gdy nie korzystamy z radaru należy zwiększyć nastawę ZRW likwidując echa podświetlające środek zobrazowania, przedłużając w ten sposób trwałość ekranu radaru, lub przełączyć radar w pogotowie.

Efektywność wyszukiwania może być dodatkowo zwiększona poprzez wybór impulsu krótkiego i wyboru pasma S. Gdy dostępne są dwa nadajniki o różnych mocach (układ interswitching) korzystne może być wybranie słabszego.

Dobór ustawienia rozróżnialnika

Energia emitowana z radaru uderzając w dużą liczbę zawieszonych w powietrzu cząstek wody, śniegu czy lodu rozprasza się we wszystkich kierunkach. Część energii wraca do anteny powodując w rezultacie pojawienie się na ekranie wielu ech punktowych. W przeciwieństwie do ech od obiektów ich amplituda nie spada proporcjonalnie do 4 potęgi odległości, ale do kwadratu odległości. Opad jest więc często wykrywany jako silniejsze echo niż echa obiektów znajdujących się w tej samej odległości. Dla cząstki o danej wielkości amplituda odbitego sygnału jest jednakże odwrotnie proporcjonalna do kwadratu wysłanej długości fali. Dlatego wybór pasma S spowoduje około 10-krotną redukcję sygnału ech od opadów. Ogólnie zagęszczenie na ekranie radaru ech od deszczu zależeć będzie od intensywności i gęstości danego opadu. Najwyraźniej widoczny na ekranie radaru będzie opad deszczu (szczególnie na paśmie X, gdy krople są proporcjonalnie niewiele mniejsze od długości fali - do 5.5 mm). Chmury podobnie jak mżawka i mgła praktycznie nie dają ech, gdyż kropelki z których są zbudowane są zbyt małe (od 0.1-0.25 mm), chyba że wewnątrz nich trwa opad deszczu. Śnieg i grad o ile składają się tylko pojedynczych kryształków lodu również nie dają silnych odbić, gdyż lód odbija energię radarową w znacznie mniejszym stopniu niż woda. Ewentualne burze piaskowe złożone są zazwyczaj z cząsteczek piasku o wielkości zbliżonej do mgły – stąd podobny efekt na ekranie radaru. Na podstawie powyższych przykładów można stwierdzić, że problem likwidacji ech od opadów jest w pewnym stopniu zbliżony do problemu likwidacji ech od fal i dlatego niektóre techniki tłumienia mogą być skuteczne w obu przypadkach - dotyczy to wzmocnienia, długości impulsu, rodzaju pasma oraz ZRW, gdy własny statek znajduje się w strefie opadu. Aby wyróżnić pożądane echa na tle deszczu dodatkowo zastosowano w radarach układ rozróżnialnika. W układzie tym sygnał przed podaniem na wzmacniacz wizji (lub przed obróbką cyfrową w radarach cyfrowych) zostaje poddany

różniczkowaniu. Układ uaktywnia się w momencie wzrostu amplitudy sygnału obcinając pozostałą jego część. W ten sposób wyświetlane są tylko najbliższe krawędzie ech.

Warto zauważyć, że efekt różniczkowania może być także bardzo użyteczny dla poprawy rozróżnialności na małych zakresach.

Zakłócające echa od deszczu w przeciwieństwie do ech od fal mogą pojawiać się w dowolnym miejscu ekranu i dosyć szybko się przemieszczać. Należy zdawać sobie sprawę, że ich tłumienie (redukcją wzmocnienia) i różniczkowanie są zupełnie różnymi technikami rozwiązania tego samego problemu.

Ogólna metoda właściwego doboru nastawy rozróżnialnika powinna wyglądać następująco:

Gdy deszcz znajduje się blisko własnego statku wystarczy stłumić obszar ech od opadu podobnie jak echa od fal za pomocą ZRW.

W przypadku, gdy deszcz znajduje się w większej odległości należy stopniowo zwiększać (odwrotnie niż w przypadku ZRW) nastawę rozróżnialnika, aż będziemy w stanie zidentyfikować przednie krawędzie ukrytych w deszczu obiektów.

Efektywność operacji wyszukiwania ech użytecznych można dodatkowo zwiększyć lekko redukując ogólną energię ech: zmniejszając wzmocnienie (nie tracąc jednakże ech od zidentyfikowanych obiektów), przełączając na krótki impuls, wybierając radar z pasmem S i o mniejszej mocy nadajnika.

Nastawę rozróżnialnika należy dosyć często korygować przewidując zmiany położenia i gęstości opadu.

Różnice w tworzeniu zobrazowania we wskaźnikach radarowych.

Wskaźnik radaru analogowego.

W radarach nawigacyjnych stosuje się wskaźniki panoramiczne, pozwalające na jednoczesne określenie dwóch współrzędnych wykrywanych obiektów - namiaru i odległości. Stosowane są znormalizowane zakresy obserwacji (poza najkrótszymi i najdłuższymi): 0,5-0,8; 1,5; 3; 6; 12; 24; 48-72 Mm.

W radarach analogowych jasność echa wyświetlanego na wskaźniku zależy od amplitudy jego sygnału. Impulsy wizyjne wychodzące z demodulatora podawane są do kilkustopniowego wzmacniacza sygnałów wizyjnych, którego zadaniem jest końcowe wzmocnienie i zebranie wszystkich impulsów wizyjnych, które w postaci zespolonego sygnału wizyjnego sterują jasnością lampy oscyloskopowej.

Moc sygnałów dochodzących z anteny na wejście odbiornika charakteryzuje się dużą dynamiką. W odbiorniku przystosowanym do wzmacniania słabych sygnałów nie można uzyskać jednakowego wzmocnienia wszystkich sygnałów bez względu na ich wielkość, ponieważ sygnały o dużej amplitudzie są ograniczane na poszczególnych stopniach wzmacniacza. Mimo to dynamika sygnałów występujących we wzmacniaczu wizji jest stosunkowo duża i przekracza wielokrotnie dynamikę świecenia lamp oscyloskopowych. Począwszy od pewnego, określonego dla danego typu lampy oscyloskopowej, poziomu, dalszy wzrost amplitudy sygnału nie wywołuje zwiększenia jasności plamki świetlnej na ekranie, pogarsza tylko ostrość zobrazowania, a przy zbyt silnym sygnale może spowodować trwałe uszkodzenie ekranu. W związku z tym we wzmacniaczu wizji znajduje się układ diodowego ogranicznika, który zabezpiecza lampę oscyloskopową przed przesterowaniem. W wyniku działania ogranicznika amplitudy wszystkie echa przekraczające tzw. poziom ograniczania zostają zredukowane do tego poziomu i jasność świecenia tych ech na ekranie wskaźnika jest jednakowa bez względu na różnicę amplitud sygnału wejściowego. Utrudnia to ocenę wielkości i rodzaju obiektu na podstawie jasności plamki na ekranie wskaźnika i jest powodem maskowania ważnych ech przez dużo słabsze ech zakłócające, jak np. echa od fal, opadów atmosferycznych itp. Impulsy odbierane przez radar w rzeczywistości nie są impulsami idealnie prostokątnymi i w wyniku ich ograniczenia występuje zwykle zwiększenie czasu trwania (długości) silnych impulsów w porównaniu z impulsami o małej amplitudzie. Poziom ograniczania jest regulowany za pomocą potencjometru umieszczonego wewnątrz bloku wskaźnika. Ustawienie zbyt wysokiego poziomu ograniczania, szczególnie na dużych zakresach obserwacji, może doprowadzić do pogorszenia ostrości, uszkodzenia lampy albo niewykrycia słabych ech. Zbyt niski poziom ograniczania wywołuje zmniejszenie jasności ech, co utrudnia wykrywanie i identyfikowanie obiektów.

Lampowy wskaźnik syntetyczny (radial-scan).

Obecnie szerokie zastosowanie znalazły wskaźniki cyfrowe, chociaż na starszych jednostkach

ciągle można jeszcze spotkać radary ze wskaźnikami analogowymi.

We wskaźnikach zobrazowania syntetycznego (cyfrowego) sygnały radarowe zapamiętywane są w postaci cyfrowej, jako dane w systemie dwójkowym (0 - 1). Podstawową zasadą przy zapamiętywaniu ech jest ustalenie obecności echa przez zapisanie w układzie pamięciowym „l" podczas, gdy brak echa reprezentowany jest przez „O". W tym celu sygnał analogowy ze wzmacniacza wizji musi być zmieniony w dwupoziomowy sygnał przedstawiający obecność i brak ech. Operacja ta przeprowadzana jest przez układ ADC nazywany detektorem progowym lub komparatorem (ang. treshold detector).

Wyjściowy sygnał z komparatora może mieć tylko dwie wartości - wystąpienie napięcia i brak. Wystąpienie napięcia możliwe jest tylko w przypadku, gdy sygnał wejściowy przekroczy poziom progowy ustalony na podstawie spodziewanej amplitudy odbieranych sygnałów. Taka informacja jest już gotowa do zapisu w pamięci komputera. W procesie jednostopniowej detekcji progowej zostaje jednakże stracona informacja dotycząca amplitudy echa (siły odbicia). Poziom progowy komparatora może być regulowany przez obserwatora za pomocą wzmocnienia. Relacja pomiędzy nastawą wzmocnienia, amplitudą szumów a poziomem progowym komparatora ma bardzo duże znaczenie przy detekcji ech w zobrazowaniu syntetycznym. Każdy szum o amplitudzie przekraczającej poziom progowy jest bowiem przedstawiany jak echo, a każde echo poniżej tego poziomu zostaje stracone.

Telewizyjny wskaźnik syntetyczny (raster-scan).

Od połowy lat osiemdziesiątych oprócz opisanych promieniowych wskaźników syntetycznych (radial-scan synthetic display) wprowadzono wskaźniki syntetyczne typu telewizyjnego oparte na siatce prostokątnej (rasier-scan displays), które odpowiadają standardom IMO. Na wskaźnikach tego typu obraz radarowy tworzony jest na ekranie telewizyjnym z bardzo dużej ilości poziomych linii. Jest on bardziej złożony i wymaga większej pamięci od wskaźników promieniowych. Z punktu widzenia użytkownika największą zaletą nowych wskaźników jest możliwość prowadzenia obserwacji przez kilka osób jednocześnie oraz niezależność od oświetlenia.

Po pełnym obrocie anteny, w pamięci wskaźnika raster-scan znajdują się dane w układzie prostokątnym (przeliczone z biegunowego) całego obrazu radarowego. Układy komputerowe mogą odczytywać te dane i tworzyć obraz na monitorze telewizyjnym z prędkością niezależną od obrotu anteny- Obraz raster-scan może być odświeżany z częstotliwością 50-80 Hz, czyli 150 do 180 razy szybciej niż w przypadku ekranu promieniowego, który jest odświeżany wraz z aktualizacją po każdym obrocie anteny (co 3 s). Oczywiście obraz aktualizowany jest dopiero po pełnym obrocie anteny, kiedy do pamięci wprowadzana jest nowa informacja (lak jak we wskaźnikach radial-scan). Dodatkowo w systemach rasier-scan stosuje się pamięci wielopoziomowe odpowiadające komparatorom o różnych poziomach progu. Daje to możliwość tworzenia kolorowego obrazu o różnej jaskrawości, generacji sztucznej poświaty oraz wykorzystania różnorodnych technik przetwarzania sygnału poprzez porównywanie zawartości różnych „warstw" pamięci. Początkowo we wskaźnikach raster-scan stosowano różnego rodzaju kolory w celu rozróżnienia amplitudy odbitego sygnału. Pomimo to, słabsze echa często zlewały się z szumami i zakłóceniami. Obecnie można zaobserwować tendencję do odchodzenia od stosowania kolorów do oznaczenia amplitudy sygnałów i ponownie używa się jednego rodzaju dla określenia obiektów niezależnie od ich siły odbicia. Inny kolor jest natomiast używany do oznaczenia ech pojawiających się sporadycznie. Kolory odebranych ech można bowiem uzależnić od częstotliwości powtarzania się w echu impulsów próbkujących oraz od powtarzalności echa w określonym kierunku i odległości. Nie ma wątpliwości, że raster-scan jest formą obrazu radarowego przyszłości i pewne jest, że za kilka lat zastąpi tradycyjne wskaźniki oparte na lampach radaroskopowych.

Rozróżnialność

Rozróżnialność – zdolność radaru do pokazywania osobno obiektów w postaci osobnych ech na ekranie.

• Rozróżnialność promieniowa [m] – nazywamy graniczną odległość między dwoma obiektami leżącymi na tym samym kierunku przy której ich echa są na styku

Im mniejsza rozróżnialność (liczbowo) tym lepsza.

Aby poprawić: przejść na impuls krótki, ZRW, zmniejszyć wzmocnienie, strojenie, zakres

• Rozróżnialność kątowa [^o] – graniczny kąt między dwoma obiektami leżącymi w tej samej odległości przy której ich echa są na styku.

Im mniejsza rozróżnialność (liczbowo) tym lepsza.

Aby poprawić: zmniejszamy zasięg zmieniając wiązkę skracam impuls, ZRW, zmniejszamy wzmocnienie, zmniejszamy zakres

Rozróżnialność odległościowa (promieniowa) i kątowa (range and bearing discrimination)

Przy doborze nastaw elementów regulacyjnych obserwator radarowy powinien zdawać sobie sprawę z tego, że:

a) dla prowadzenia bezpiecznej żeglugi dobór nastaw powinien prowadzić do osiągnięcia maksymalnej ilości możliwych do zidentyfikowania ech od obiektów;

b) żaden radar nie oddaje w sposób wiemy kształtu obiektów, przy ich identyfikacji należy pamiętać o rozróżnialności odległościowej i kątowej;

Rozróżnialność odległościowa jest parametrem opisującym zdolność radaru do wyświetlenia oddzielnie dwóch ech obiektów leżących w tym samym namiarze w bliskiej od siebie odległości. Rozróżnialność odległościowa jest miarą bezwzględną określającą ilość metrów o jaką muszą być od siebie oddalone dwa obiekty, aby ich echa nie złączyły się na ekranie. Jest ona równa sumie średnicy plamki ekranowej (lub piksela) w przestrzeni [m] oraz połowy długości impulsu sondującego w [m]

Rozróżnialność kątowa jest parametrem opisującym zdolność radaru do wyświetlenia oddzielnie dwóch ech obiektów leżących w tej samej odległości w bliskich sobie namiarach.

Jest ona podobnie jak rozróżnialność odległościowa miarą bezwzględną wyrażoną w stopniach określającą kąt o jaki muszą być od siebie oddalone dwa obiekty, aby ich echa nie złączyły się na ekranie. Rozróżnialność kątowa równa jest sumie kąta widzenia średnicy plamki ekranowej (lub piksela) w odległości echa w [°] oraz szerokości poziomego przekroju charakterystyki antenowej w odległości echa .

Rozmiary echa radarowego

- rozmiar odległościowy – pół długości impulsu + piksel

- rozmiar kątowy – szerokość wiązki + piksel (+ szerokość obiektu(kąt))

Zmiany na radarze a wygląd plamki

1. Czas trwania impulsu z krótkiego na długi (silniejszy na słabszy) – zasięg rośnie, echo się poszerza i wydłuża, poszerzyło się kątowo bo wiązka się poszerzyła a wydłużyło bo impuls zwiększył się.
   Zmniejszając wzmocnienie to impuls się kurczy.

2. Każde zmniejszenie zasięgu powoduje zwężenie wiązki

3. Zmieniamy wielkość anteny: rozpiętość większa to zasięg większy, wiązka szersza. Zmieniając z krótkiej na długą plamka zwęża się i wydłuża

4. Statek był do nas burta a odwrócił się rufą: Powierzchnia statyczna odbicia osłabła to echo (plamka) się skurczyła albo zniknęła.

5. Strojenie dobre ale rozstrajamy to echo słabnie

6. Wzmocnienie w prawo (zwiększamy) – zwiększamy zasięg i amplitudę więc echo (plamka) się powiększa

7. ZRW – kręcimy w prawo (zwiększamy) czyli osłabiamy bliskie echa

8. Rozróżnialnik – kręcimy w prawo (zwiększamy) – obcinamy echa od opadów ale działa na wszystkie echa i obcina je od tyłu

9. Zakres – zmniejszamy – to echo albo zniknie albo przesunie się bliżej (np. o połowę)

10. Kurs – zmieniamy przy Head Up w lewo – przesunie się w prawo o 20^o

Problemy wykrywania

Na dużych odległościach

Wykrywalność spada w czasie deszczu, gradu itp. o ok. 30%. Jeżeli pada na obiekt to wykrycie tego obiektu może spaść nawet do 0.

W zależności od stanu atmosfery rozróżnia się następujące rodzaje refrakcji:

• subrefrakcja, czyli refrakcja ujemna,

• brak refrakcji,

• refrakcja normalna,

• refrakcja krytyczna,

• superrefrakcja - ugięcie fal jest tak znaczne, odbijają się one wielokrotnie od powierzchni ziemi jak piłka. zasięg radaru może wzrosnąć w skrajnych warunkach do 1000 lub nawet ponad 2000 km.

• extra superrefrakcja

Na małych odległościach

• Minimalny zasięg

• Strefa martwa

• Cień pionowy

Minimalny zasięg – jest to obszar wokół anteny radarowej w kształcie koła w którym wykrywanie jest utrudnione z powodu określonej długości impulsu sondującego, może wynosic od 60 do 120% długości impulsu.

Strefa martwa – jest to obszar wokół anteny radarowej w kształcie koła w którym wykrywanie jest utrudnione z powodu granicy styku wiązki z wodą.

Cień pionowy – jest to obszar wokół anteny, najczęściej w kształcie linii łamanej w którym wykrywanie jest niemożliwe z powodu cienia od konturów statku lub ładunku.

W pełnym przedziale odległości

• Sektory cienia i półcienia poziomego

Sektory cienia i półcienia stworzone przez element konstrukcyjny o mniejszych wymiarach geometrycznych

Sektory cienia i półcienia stworzone przez element konstrukcyjny o większych wymiarach geometrycznych

• Przesłanianie – jeden obiekt zasłania drugi

• Samo przesłanianie – ten sam obiekt zasłania część siebie

Zniekształcenia i zakłócenia obrazu radarowego

Zniekształcenia

• Promieniowe echa (różnica od rozmiarów echa od rozmiarów na ekranie)

• Kątowe echa (różnica od rozmiarów echa od rozmiarów na ekranie)

• Liniowości podstawy czasu (prędkość ruchu plamki powinna być jednostajna)

• Impulsu podświetlającego (powinny być jednakowo jasne echa)

• Synchronizacji (brak synchronizacji czasu plamka – impuls)

• Ostrości

Zakłócenia

• Echa od listków bocznych - ZRW

• Echa od fal - ZRW

• Echa od opadów – przejście na „S”, rozróżnialnik (obcina echa)

• Echa wielokrotne - ZRW

• Echa pośrednie własne (z powodu cieni i półcieni, widzimy jak echo porusza się razem z nami)

• Echa pośrednie obce

• Echa z poprzedniego cyklu pracy (może występować przy superrefrakcji, echo jest w kierunku ale fałszywej odległości; aby sprawdzić: to kreska namiarowa na echo i zwiększamy zakres)

Echa od innych radarów, interferencyjne, nie synchroniczne (nakłada się na nasze echa, niesynchroniczne) – przy wykrywaniu transpondera radarowego – wyłączyć