Tutka on joukko tieteellisiä menetelmiä ja teknisiä keinoja, joita käytetään kohteen koordinaattien ja ominaisuuksien määrittämiseen radioa altojen avulla. Tutkittavaa kohdetta kutsutaan usein tutkakohteeksi (tai yksinkertaisesti kohteeksi).
Tutkan periaate
Radiolaitteita ja -laitteita, jotka on suunniteltu suorittamaan tutkatehtäviä, kutsutaan tutkajärjestelmiksi tai -laitteiksi (tutka tai tutka). Tutkan perusteet perustuvat seuraaviin fysikaalisiin ilmiöihin ja ominaisuuksiin:
- Levitysväliaineessa radioaallot, jotka kohtaavat erilaisia sähköominaisuuksia omaavia esineitä, ovat siroteltuina niiden päälle. Kohteesta heijastuneen aallon (tai sen oman säteilyn) avulla tutkajärjestelmät voivat havaita ja tunnistaa kohteen.
- Pitkillä etäisyyksillä radioa altojen etenemisen oletetaan olevan suoraviivaista vakionopeudella tunnetussa väliaineessa. Tämä oletus mahdollistaa alueen mittaamisen kohteeseen ja sen kulmakoordinaatit (tietyllä virheellä).
- Doppler-ilmiön perusteella vastaanotetun heijastuneen signaalin taajuus laskee säteilypisteen säteittäisen nopeudenkoskien RLU:ta.
Historiallista taustaa
Radioa altojen kykyä heijastaa huomautti suuri fyysikko G. Hertz ja venäläinen sähköinsinööri A. S. Popov 1800-luvun lopulla. Vuonna 1904 päivätyn patentin mukaan ensimmäisen tutkan loi saksalainen insinööri K. Hulmeier. Laitetta, jota hän kutsui telemobiloskoopiksi, käytettiin Reiniä kyntävillä aluksilla. Ilmailutekniikan kehityksen yhteydessä tutkan käyttö näytti erittäin lupaav alta osana ilmapuolustusta. Tämän alueen tutkimuksen suorittivat johtavat asiantuntijat useista maailman maista.
Vuonna 1932 LEFI:n (Leningradin sähköfysikaalisen instituutin) tutkija Pavel Kondratievich Oshchepkov kuvaili tutkan perusperiaatetta teoksissaan. Hän yhteistyössä kollegojensa kanssa B. K. Shembel ja V. V. Tsimbalin esitteli kesällä 1934 prototyyppitutka-asennuksen, joka havaitsi kohteen 150 metrin korkeudessa 600 metrin etäisyydellä.
Tutkatyypit
Kohteen sähkömagneettisen säteilyn luonteen ansiosta voimme puhua useista tutkatyypeistä:
- Passiivinen tutka tutkii omaa säteilyään (lämpö, sähkömagneettinen jne.), joka tuottaa kohteita (raketteja, lentokoneita, avaruuskohteita).
- Aktiivinen aktiivisella vasteella suoritetaan, jos kohde on varustettu omalla lähettimellä ja vuorovaikutuksella sen kanssatapahtuu "pyyntö - vastaus" -algoritmin mukaan.
- Aktiivinen passiivisella vasteella sisältää sekundaarisen (heijastuneen) radiosignaalin tutkimuksen. Tutka-asema koostuu tässä tapauksessa lähettimestä ja vastaanottimesta.
- Puoliaktiivinen tutka on aktiivinen erikoistapaus siinä tapauksessa, että heijastuneen säteilyn vastaanotin sijaitsee tutkan ulkopuolella (esim. se on suuntautuvan ohjuksen rakenne-elementti).
Jokaisella lajilla on omat etunsa ja haittansa.
Menetelmät ja laitteet
Kaikki tutkavälineet käytetyn menetelmän mukaan jaetaan jatkuvan ja pulssisäteilyn tutkoihin.
Ensimmäiset sisältävät säteilyn lähettimen ja vastaanottimen, jotka toimivat samanaikaisesti ja jatkuvasti. Tämän periaatteen mukaan luotiin ensimmäiset tutkalaitteet. Esimerkki tällaisesta järjestelmästä on radiokorkeusmittari (lentokoneen laite, joka määrittää lentokoneen etäisyyden maanpinnasta) tai kaikkien autoilijoiden tuntema tutka, joka määrittää ajoneuvon nopeuden.
Pulssimenetelmässä sähkömagneettista energiaa lähetetään lyhyinä pulsseina muutaman mikrosekunnin sisällä. Signaalin luomisen jälkeen asema toimii vain vastaanottoa varten. Heijastuneiden radioa altojen sieppaamisen ja rekisteröinnin jälkeen tutka lähettää uuden pulssin ja jaksot toistuvat.
Tutkan toimintatilat
Tutka-asemilla ja laitteilla on kaksi päätoimintatapaa. Ensimmäinen on avaruusskannaus. Se suoritetaan tiukkojen ohjeiden mukaanjärjestelmä. Jaksottaisella tarkistuksella tutkasäteen liike voi olla luonteeltaan pyöreää, spiraalimaista, kartiomaista, sektorikohtaista. Esimerkiksi antenniryhmä voi pyöriä hitaasti ympyrässä (atsimuutissa) samalla kun se skannaa korkeudessa (kallistaa ylös ja alas). Rinnakkaispyyhkäisyssä tarkastelu suoritetaan tutkasäteen avulla. Jokaisella on oma vastaanotin, useita tietovirtoja käsitellään kerralla.
Seurantatila tarkoittaa, että antenni on jatkuvasti suunnattu valittuun kohteeseen. Sen kääntämiseen käytetään liikkuvan kohteen liikeradan mukaan erityisiä automaattisia seurantajärjestelmiä.
Algoritmi alueen ja suunnan määrittämiseen
Sähkömagneettisten a altojen etenemisnopeus ilmakehässä on 300 tuhatta km/s. Siksi, kun tiedetään aika, jonka lähetyssignaali kuluu kattamaan etäisyys asem alta kohteeseen ja takaisin, on helppo laskea kohteen etäisyys. Tätä varten on tarpeen tallentaa tarkasti pulssin lähetysaika ja heijastuneen signaalin vastaanottohetki.
Tietojen saamiseksi kohteen sijainnista käytetään erittäin suuntautuvaa tutkaa. Objektin atsimuutin ja korkeuden (korkeus tai elevaatio) määritys tehdään antennilla, jossa on kapea säde. Nykyaikaiset tutkat käyttävät tähän vaiheistettuja antenniryhmiä (PAR), jotka pystyvät asettamaan kapeamman säteen ja joille on ominaista suuri pyörimisnopeus. Yleensä avaruusskannaus suoritetaan vähintään kahdella säteellä.
Järjestelmän pääparametrit
Alkaenlaitteiden taktiset ja tekniset ominaisuudet riippuvat pitkälti tehtävien tehokkuudesta ja laadusta.
Tutkan taktisia indikaattoreita ovat:
- Näkymäalue, jota rajoittavat kohteen pienin ja suurin tunnistusalue, sallitut atsimuutti- ja korkeuskulmat.
- Resoluutio alueella, atsimuutissa, korkeudessa ja nopeudessa (kyky määrittää lähellä olevien kohteiden parametrit).
- Mittaustarkkuus, joka mitataan karkeiden, systemaattisten tai satunnaisten virheiden esiintymisellä.
- Melunsieto ja luotettavuus.
- Automaatioaste saapuvan tietovirran purkamisessa ja käsittelyssä.
Taktiset ominaisuudet määritellään suunniteltaessa laitteita tiettyjen teknisten parametrien perusteella, mukaan lukien:
- kantoa altotaajuus ja generoitujen värähtelyjen modulaatio;
- antennikuviot;
- lähetys- ja vastaanottolaitteiden teho;
- Järjestelmän kokonaismitat ja paino.
Päivässä
Tutka on universaali työkalu, jota käytetään laaj alti armeijassa, tieteessä ja kansantaloudessa. Käyttöalueet laajenevat tasaisesti teknisten välineiden ja mittaustekniikoiden kehittymisen ja kehittymisen myötä.
Tutkan käyttö sotilasteollisuudessa antaa meille mahdollisuuden ratkaista tärkeitä tehtäviä: avaruuden tarkastelu ja valvonta sekä liikkuvien ilma-, maa- ja vesikohteiden havaitseminen. Ilmantutkat, on mahdotonta kuvitella laitteita, jotka palvelisivat navigointijärjestelmien ja tulituksenohjausjärjestelmien tietotukena.
Sotilaallinen tutka on strategisen ohjusvaroitusjärjestelmän ja integroidun ohjuspuolustuksen ydinkomponentti.
Radiotähtitiede
Maan pinn alta lähetetyt radioaallot heijastuvat myös läheltä ja kaukana olevista kohteista sekä maapallon lähellä olevista kohteista. Monia avaruusobjekteja ei voitu tutkia täysimääräisesti vain optisten instrumenttien avulla, ja vain tutkamenetelmien käyttö tähtitieteessä mahdollisti runsaasti tietoa niiden luonteesta ja rakenteesta. Amerikkalaiset ja unkarilaiset tähtitieteilijät käyttivät ensimmäisen kerran passiivista tutkaa kuun tutkimiseen vuonna 1946. Samoihin aikoihin vastaanotettiin vahingossa radiosignaaleja myös ulkoavaruudesta.
Nykyaikaisissa radioteleskoopeissa vastaanottoantenni on muodoltaan suuri kovera pallomainen kulho (kuten optisen heijastimen peili). Mitä suurempi sen halkaisija, sitä heikomman signaalin antenni pystyy vastaanottamaan. Usein radioteleskoopit toimivat monimutkaisesti yhdistäen paitsi lähellä toisiaan myös eri mantereilla sijaitsevia laitteita. Nykyaikaisen radioastronomian tärkeimpiä tehtäviä on pulsareiden ja aktiivisten ytimien galaksien tutkiminen, tähtienvälisen väliaineen tutkimus.
Siviilikäyttö
Maa- ja metsätaloudessa, tutkalaitteet ovat välttämättömiä tiedon saamiseen kasvimassojen jakautumisesta ja tiheydestä, maaperän rakenteen, parametrien ja tyyppien tutkimisesta sekä tulipalojen oikea-aikaisesta havaitsemisesta. Maantieteen ja geologian tutkalla tehdään topografisia ja geomorfologisia töitä, määritetään kivien rakenne ja koostumus sekä etsitään mineraaliesiintymiä. Hydrologiassa ja v altameritutkimuksessa tutkamenetelmillä seurataan maan päävesistöjen tilaa, lumi- ja jääpeitettä sekä kartoitetaan rantaviivaa.
Tutka on meteorologien korvaamaton apulainen. Tutka voi helposti selvittää ilmakehän tilan kymmenien kilometrien etäisyydeltä ja saatuja tietoja analysoimalla tehdään ennuste sääolosuhteiden muutoksista tietyllä alueella.
Kehitysnäkymät
Nykyaikaisen tutka-aseman tärkein arviointikriteeri on tehokkuuden ja laadun suhde. Tehokkuus viittaa laitteiden yleisiin suorituskykyominaisuuksiin. Täydellisen tutkan luominen on monimutkainen insinööri- ja tieteellinen ja tekninen tehtävä, jonka toteuttaminen on mahdollista vain käyttämällä sähkömekaniikan ja elektroniikan, informatiikan ja tietotekniikan sekä energian viimeisimpiä saavutuksia.
Asiantuntijoiden ennusteiden mukaan lähitulevaisuudessa monimutkaisia ja eri käyttötarkoituksia omaavien asemien tärkeimmät toiminnalliset yksiköt ovat puolijohdeaktiiviset vaiheistetut ryhmät (vaiheantenniryhmät), jotka muuntavat analogiset signaalit digitaalisiksi.. KehitysTietokonekompleksi automatisoi täysin tutkan ohjauksen ja perustoiminnot ja tarjoaa loppukäyttäjälle kattavan analyysin vastaanotetuista tiedoista.
