Radar — raadiolainetel põhinev kajaotsing: toimimine ja kasutusvaldkonnad

Radar on masin, mis kasutab raadiolainete abil kajaotsingut, et leida selliseid objekte nagu õhusõidukid, laevad ja vihma. Radar toimib nii, et saatja kiirgab raadiolainet (tavaliselt impulsina või pideva lainega) ja vastuvõtja mõõdab ajad ning signaali omadused, mis peegelduvad objektidelt tagasi. Kajastumise aega kasutades arvutatakse objekti kaugus (vahemaa = raadiosignaali kiirus × aeg / 2), lisaks saab signaali sageduse nihke kaudu hinnata objekti liikumiskiirust.

Radari põhiosad on järgmised:

Saatja loob raadiolained.
Antenn suunab raadiolained.
Vastuvõtja mõõdab lained, mis objektilt tagasi põrkuvad.
Signaalitöötlus — eraldab kaja mürast, mõõdab aega ja sagedust ning arvutab asukoha ja kiiruse.
Kuva ja juhtsüsteem — esitab andmed operaatorile või edastab neid automaatsetesse navigatsiooni- ja juhtimisüsteemidesse.
Duplexer ja võimsuseallikas — võimaldavad saatjal ja vastuvõtjal jagada antenni ning tagavad seadme töö.

Kuidas radar töötab (lühike ülevaade)

Radar saadab välja raadiosignaali, mis liigub valguse kiirusel ja peegeldub vastastelt pindadelt. Kui signaal tagasi jõuab, mõõdetakse aega, mis kulus edasi-tagasi liikumiseks. Selle põhjal arvutatakse kaugus. Kui tagasipeegelduva signaali sagedus on nihutatud (Doppleri efekt), saab arvutada ka objekti suhtelist kiirust radari suhtes. Lisaks aja- ja sagedusinfole kasutatakse signaali amplituudi, faasi ja lainte kujult saadavat teavet objekti suuruse, kuju ja suuna kohta.

Peamised radaritüübid ja töörežiimid

Pulssradar — saadab impulsse ja mõõdab ajavahet impulside saatmise ja kajade vahel (sobib kauguse määramiseks).
Pidevlaine (CW) radar — mõõdab sageduse nihkeid (sobib peamiselt kiiruse mõõtmiseks, nt politsei kiirusmõõtjad).
Doppler-radar — kasutab Doppleri efekti liikumise tuvastamiseks ja eraldamiseks staatilisest taustast.
Primaarne radar — tuvastab objektid peegeldunud raadiosignaali abil.
Sekundaarne radar — suhtleb sihtmärgiga (transponderiga), mis annab täiendavat identifitseerimis- ja kõrgusteavet (tavaline lennunduses).
Faasipõhine antenn (phased array / AESA) — suunab kiirt elektrooniliselt ilma liikuvate osadeta, võimaldades kiiret jälgimist ja paljusid funktsioone korraga.

Radari ajalugu ja tähtsus

Radarit kasutas esmakordselt 1904. aastal Christian Hülsmeyer. Ta sai radari patendi (Reichspatent nr. 165546). Tema töö oli varajane samm kauguse- ja liikumistuvastuse seadmete suunas, kuigi tänapäevasele radarile eelnes veel palju arengut. Radari roll kasvas oluliselt 1930.–1940. aastatel: tehnoloogia oli otsustava tähtsusega Suurbritannia lahingus ja teistes II maailmasõja osades, eriti õhuhäirete varajase hoiatuse ja õhutõrje koordineerimise puhul. Teljeriikidel ei õnnestunud sõja ajal Briti ja Ameerika radaritehnoloogiaga sammu pidada, mis mõjutas sõjalisi operaatsioone ja õhuruumi valdamist.

Sõna RADAR loodi 1942. aastal lühendina sõnast Radio Detection and Ranging. See akronüüm asendas briti initsiaal RDF (Radio Direction Finding). Paljud inimesed peavad seda sõna nüüdseks tavaliseks sõnaks, mitte enam akronüümiks.

Kasutusvaldkonnad

Lennundus: õhuliikluse juhtimine (PSR/SSR), maandumis- ja lähenemisradarid, lennujaama pinnase jälgimine.
Merendus: laevade tuvastamine, navigatsioon, kalapüügiradarid ja sadamate jälgimine.
Ilmateadus: sademete, tormide ja tuule jälgimine (dopplerradarid, NEXRAD-tüüpi süsteemid).
Transpordivalve ja liiklus: kiirusmõõtmised, liiklusjälgimine, tolli- ja piirivalve rakendused.
Autotööstus: ADAS-süsteemid ja autopiloodid kasutavad mm-laine radarit (nt 24 GHz või 76–81 GHz) takistuste ja vahemaa mõõtmiseks.
Arheoloogia ja geoteadused: maapinna sügavuse uurimine (Ground-Penetrating Radar), pinnavormide ja maavärinate jälgimine.
Kosmosetehnika ja astronoomia: planeetide ja asteroidide radaruuringud, satelliitide jälgimine ja avakosmilise ruumi tõrje.
Side- ja kaitsetehnoloogia: juhtmevabad sidehäired, avastamine, sihtmärkide jälgimine ja juhtimine.

FAA ja lennunduses kasutatavad radaritüübid

FAA (Federal Aviation Administration) kasutab mitut liiki radareid:

Primary Surveillance Radar (PSR / ASR) — primaarne radar, mis avastab õhusõidukeid peegeldunud signaali abil.
Secondary Surveillance Radar (SSR / Mode A/C/S) — transponderipõhine radar, mis saab lennuki identifikaatori ja kõrguseandmed; Mode S võimaldab andmevahetust ja täpsemat serialiseerimist.
Terminal Doppler Weather Radar (TDWR) — lennujaama ümbruse tormide ja tuulepuhangute tuvastamiseks, aitab maandumiste ohutust suurendada.
Airport Surface Detection Equipment (ASDE) — lennuvälja pinnase liikluse jälgimiseks, et vähendada kokkupõrkeriske.
Automatic Dependent Surveillance — Broadcast (ADS‑B) — küll ei ole traditsiooniline radar, kuid koos PSR/SSR-iga pakub satelliit- ja transponderipõhist positsiooniteavet, mis on kaasaegse õhus liikluse juhtimise oluline osa.

Piirangud ja tänapäevased lahendused

Radaritel on piiranguid: tugev vihm või paks udu võivad nõrgendada signaali (sagedus- ja läbitavusprobleemid), maakõrge peegeldus (ground clutter) võib varjata väiksemaid sihtmärke, ja kitsas resolutsioon võib keerukaks muuta tihedalt paiknevate objektide eristamise. Samuti võib elektromagnetne häire ja ründed (nt häirimine või stealth-tehnoloogiad) radarite tõhusust vähendada.

Tänapäeval kasutatakse nende probleemide vähendamiseks aktiivset signaalitöötlust (MTI, pulse compression), Doppleri filtreid, faseeris-antennide arraysid (AESA), digitaaltöötlust ja kombineeritud andmeallikaid (radar + ADS‑B + optika). Eelkõige suunavad modernsed süsteemid suurt tähelepanu tarkvarapõhisele analüüsile ja võrgustatud andmete integreerimisele, mis parandab avastamist ning vähendab valehäireid.

Tulevikusuundumused

Tulevikus kasvab roll ülikiirete digitaaltöötlussüsteemide, tehisintellekti ja mitmeandurilise fusioni kasutamisel. Lisaks arenevad passiivsed radarid (kasutavad olemasolevaid raadiolähte), kõrgresolutsioonilised mm‑laine süsteemid (autonoomne sõit) ja satelliitpõhised radarsüsteemid (SAR/InSAR) maakate ja merepinna jälgimiseks.

Radar on tänapäeval mitmekülgne tehnoloogia, mis jääb oluliseks nii tsiviil- kui ka kaitsevaldkondades—alates lennuliikluse ohutusest kuni ilmavaatluseni ja autonoomsete sõidukiteni.

Suur radarantenn

Küsimused ja vastused

K: Mis on radar?

V: Radar on masin, mis kasutab raadiolainete abil kaja leidmiseks selliseid objekte nagu lennukid, laevad ja vihma.

K: Millised on radari põhiosad?

V: Radari põhiosad on saatja, mis tekitab raadiolained, antenn, mis suunab neid, ja vastuvõtja, mis mõõdab objektilt tagasi põrkunud laineid.

K: Kuidas mõõdab radar kaugust?

V: Kontrollides, kui tihti saatja kiiret radarimpulssi välja saadab (mida nimetatakse "impulsside kordumissageduseks") ja kui kaua võtab aega, kuni peegeldunud impulsside energia jõuab tagasi vastuvõtjani, saab kindlaks teha, kus ja kui kaugel objektid asuvad. Vastuvõtja digitaalahelad arvutavad kauguse, korrutades valguse kiiruse energiaimpulsside vahelise ajavahemikuga.

K: Milleks kasutati esimest korda radarit?

V: Radarit kasutas esmakordselt 1904. aastal Christian Hülsmeyer, kes sai selle jaoks patendi (Reichspatent nr. 165546).

K: Kuidas sai radar populaarseks Teise maailmasõja ajal?

V: Radar oli elutähtis Suurbritannia lahingus ja teistes II maailmasõja osades, kuna teljeriikidel ei õnnestunud sel ajal Briti ja Ameerika radaritehnoloogiaga sammu pidada.

K: Mida tähendab RADAR?

V: RADAR tähendab Radio Detection And Ranging (raadiotuvastus ja kaugseire). See akronüüm asendas Briti initsiaal RDF (Radio Direction Finding). Tänapäeval peavad paljud inimesed seda akronüümi asemel lihtsalt veel üheks sõnaks.

K: Milliseid radareid kasutab FAA?

V: FAA (Federal Aviation Administration) kasutab mitut liiki radareid.