Tutkat ja mikroaaltotehon mittaus
PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutkat ja tehonmittaus PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutka PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä • 1904 Christian Huelsmeyer demonstroi yksinkertaista laitetta joka havaitsee lähistöllä olevat laivat niistä heijastuneen radiosäteilyn perusteella huonossakin säässä (suunta mutta ei etäisyyttä; laivastot eivät olleet kiinnostuneita). • 1935 Robert Watson-Watt demonstroi lentokoneen havaitsemista siitä heijastuneiden radioaaltojen (BBC:n radiolähetys) avulla -> ensimmäisen tutkan (engl. RADAR; Radio Detection And Ranging) rakentaminen Englantiin. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Historiaa • Vuotta myöhemmin Hans Hollmann rakensi Saksan ensimmäisen pulssitutkan laivojen ja lentokoneiden havaitsemiseen (eikä sotilaallinen potentiaali tällä kertaa jäänyt huomaamatta). • Toisen maailmansodan aikaan Saksalla oli teknologinen etumatka Englantiin mutta vain englantilaiset hyödynsivät kunnolla tutkan tarjoamia mahdollisuuksia (paljon tutkia ja niitä tukeva organisaatio). PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Lisää historiaa • Aktiivinen mittalaite. • Mittausetäisyys riippuu käytettävästä taajuudesta, matalilla taajuuksilla päästään jopa 6000 km asti. • Alueellinen erotuskyky yleensä satojen metrien luokkaa (erilainen etäisyys- ja sivuttaissuunnassa). • Yleensä käytetään 1 mm – 1 m aallonpituuksia. • Tutka toimii yhtä hyvin päivällä ja yöllä. • Useimmat tutkat näkevät hyvin pilvien läpi ja vähintään jossakin määrin myös sateen läpi. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutkan tehtävät Mitattavat suureet (1) – Heijastukset kohteesta • Suunnan määrittäminen – Sivukulma – Korotuskulma – Saadaan antennin suuntatiedosta (kapeakeilainen antenni) PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES • Maalin olemassaolon ilmaiseminen Mitattavat suureet (2) – Maalin etäisyyssuuntaisen komponentin mittaaminen – Doppler-ilmiö – Kiintomaalien poistaminen • Etäisyyden mittaaminen – Signaalin edestakaiseen matkaan kulunut aika PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES • Nopeuden mittaaminen • valvontatutkat (pulssitutkia) • seurantatutkat (pulssitutkia) • toisiotutkat eli SSR (secondary surveillance radar) mm. lentokoneen transponderilta tunnistetieto • korkeusmittaustutkat (FM-CW) • kaukokartoitustutkat • säätutkat PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutkan käyttö • • • • • nopeuden valvontatutkat (CW) törmäyksen estotutkat (CW) puututkat (onko puu sisältä laho?) maatutkat (metalli- yms. esineen etsintää) murtohälytystutkat, jne. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES ”Siviili” Tutkat • Kantoaaltotutka (CW-tutka, continuous wave radar) lähettää kiinteällä taajuudella jatkuvaa mikroaalto-tehoa. CW-tutkalla voidaan mitata vain kohteen nopeus ja sirontakerroin, ei sen etäisyyttä. • Nopeuden mittaus perustuu kohteen liikkeeseen verrannollisen doppler-taajuudenmittaamiseen tutkaan palaavasta signaalista. • CW-tutkaa voidaan käyttää esimerkiksi sotilaallisissa tarkoituksissa maaston valvontaan ja liikkuvien kohteiden havaitsemiseen. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES CW-TUTKA (1) • CW-tutkaa voidaan käyttää esimerkiksi sotilaallisissa tarkoituksissa maaston valvontaan ja liikkuvien kohteiden havaitsemiseen. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES CW-TUTKA (2) • Moduloimalla lähete kolmio-, sini- tai saha-aallolla saadaan mitattua myös kohteen etäisyys • Mittaamalla aikaero, jolloin lähetty ja heijastunut signaali ovat samalla taajuudella, saadaan etäisyys lasketuksi • Käytetään yleisesti lentokoneiden korkeusmittareina PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES FM-CW tutka Pulssitutka Lähetin Antenni Modulaattori Suurjännitelähde Ohjain Antennikoneisto PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä LV-kytkin Taajuusohjain Ajastin RF-vahv. ja sekoitin IF-vahv. ja ilmaisin Signaalinkäsittelin Vastaanotin Näyttölaite Operaattori PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES • Parempi dynamiikka ja erottelukyky • Alhaisempi tehonkulutus/ korkeampi lähtöteho • Pulssin pituus tai sen sisäinen modulaatio määrää erottelukyvyn ja lyhimmän mittausetäisyyden Päätevahvistin Lyhenne Aallonpituusalue Taajuusalue (cm) (GHz) W 0.1 – 0.75 300 – 40 Ka 0.75 – 1.2 40 – 27 K 1.2 – 1.7 27 – 18 Ku 1.7 – 2.5 18 – 12 X 2.5 – 4 12 – 8 C 4–8 8–4 S 8 – 15 4–2 L 15 – 30 2–1 PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutka taajuudet ja niiden valintakriteerit (1) Alue Käyttötarkoitus W Käyttö rajoittuu lyhyen kantaman seurantaan. Ku - Ka Lyhyen kantaman seuranta, kun antennin oltava hyvin pieni, eikä vaadita joka sään toimintaa, esim. lentokoneissa X Lyhyen kantaman valvonta ja suuren kantaman seuranta Kirkkaalla ilmalla, kantama lyhenee sateessa, esim. merenkulku C Kuten X-alue, käytetään lähivalvontaan ja maalinosoitukseen S Kuten X-alue, mutta vasta kova vesi- tai lumisade vaikuttaa kantamaan. Käytetään ilmavalvonnassa L Suurikantamainen valvonta, keskimääräinen erottelukyky sekä säällä ei juuri vaikusta. Pitkän matkan ilmavalvonta. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutka taajuudet ja niiden valintakriteerit (2) • Maalin säteittäisen nopeuden mittaaminen perustuu Dopplerin ilmiöön eli tässä tapauksessa tutkan ja maalin liikkuessa toisiinsa nähden tutkan vastaanottama signaali poikkeaa taajuudeltaan alun perin lähetetystä signaalista. • Tätä poikkeamaa kutsutaan Dopplertaajuudeksi, josta voidaan laskea maalin säteittäinen nopeus PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Doppler (1) ω D = 2π f D = 4πv r λ , missä ω D = kulmataajuus f D = Dopplertaajuus v r = maalin säteittäinen nopeus λ = aallonpituus => fD = 2v r λ . PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Doppler (2) PT GT GR λ2σ , PR = 3 4 (4π ) R missä PR = vastaanotettu teho (W) PT = lähetysteho (W) GT = lähetysantennin vahvistus ao. suuntaan, yleensä pääkeilan maksimi GR = vastaanottoantennin vahvistus λ = aallonpituus (m) σ = tutkapoikkipinta − ala (m 2 ) R = antennien välinen etäisyys (m) PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutkayhtälö Rmin = cτ 2 cτ δR = , 2 PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Lyhin mittausetäisyys ja erottelukyky Kappale Pallo, a = säde σmax σmin Keilojen lukumäärä Pääkeilan leveys πa2 πa2 1 2π 4πaL2/λ2 0 8L/λ λ/L Tasainen levy, L = sivunpituus, A = pinta-ala Kulmaheijastin, a = sivun pituus 12πa4/λ2 4 π/4 Kolmisivuinen kulmaheijastin, a = sivun pituus 4πa4/3λ2 4 π/4 PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tutkapoikkipinta • • • • • • • • Tutkalaitteisto Giraffe 100 Taajuusalue C-alue Antennin pyörimisnopeus 12 kierr/min Valvontakorkeus 5 000 m Valvontaetäisyys 100 000 m Samanaikaisesti seurattavat maalit 50 kpl Antennin korkeus 12 m Tutkaa lukuun ottamatta suomalainen PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES MAALINOSOITUSTUTKA 95 • Aluevalvonta ja tulenjohto • Valvonta- ja tulenjohtokyky kaikissa olosuhteissa 5 – 15 km • Perustuu Doppler-mittaukseen • Koulutettu käyttäjä erottaa kaiusta myös kohteen laadun • Valmistusmaa Israel PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Maastonvalvontatutka AGSUR • • Kranaatinheittimistön ja yläkulmilla ampuvan tykistön tuliasemien paikantaminen Tykistön ja heittimistön tulen johtaminen • • • • • • • • • OMINAISUUDET Suurin mittausetäisyys 20 km Valvontasektori noin 40° Paikantamistarkkuus noin 60 m Paikantamisaika 1-20 s Liikkuvan maalin ilmaisin Korkeus mittauskunnossa noin 3 m Tutkaosan paino noin 400 kg Kokonaispaino kuljetusalustoineen noin 1000 kg Valmistusmaa Iso-Britannia PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Paikantamistutka CYMBELINE Tutkan kehitysnäkymiä – Mukautumista vallitsevaan välke- ja häirintäympäristöön – Maalit voidaan luokitella ja tunnistaa sekä helpommin että nopeammin • Aktiivisten antenniryhmien käyttöönotto – Samanaikainen valvonta ja seuranta – Mukautumista vallitsevaan välke- ja häirintäympäristöön PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES • Signaalinkäsittelyn tehostuminen PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tehonmittaus PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä • Kalorimetri • Tehomittarit + mittapäät: – Termistori – Termopari – Diodi • Spektrianalysaattori • Ilmaisindiodi PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Mittausmenetelmät • Käytettiin aikoinaan esim. suuritehoisissa tutkissa. Vesi absorboi erittäin hyvin mikroaaltosignaaleja, jonka takia tehonmittaukseen riitti pelkästään mitata tulevan ja lähtevän veden lämpötilaero sekä veden tilavuusvirta ajan funktiona PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Kalorimetri (1) • Kalorimetrejä valmistettiin kolmen tyyppisiä riippuen kalorimetrin läpi virtaavasta aineesta joita olivat ilma, vesi ja öljy. Kalorimetrejä on käytössä vielä nykyäänkin, koska ne soveltuvat hyvin suurien tehotasojen mittaamiseen, aina yli 1 kW:iin asti. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Kalorimetri (2) • Bolometri on tehoanturi, johon syötetty RF- tai mikroaaltotehon muuttuu lämmöksi muuttaen samalla resistanssia. Termistorit ovat metallioksidi-seoksesta valmistettuja vastuksia, joilla on negatiivin lämpötilakerroin. • Termistorin resistanssiin vaikuttavat ympäristön lämpötila sekä suurtaajuus ja tasajänniteteho, joten kaikki lämpötilassa tapahtuvat muutokset vaikuttavat teholukemaan. • Soveltuu vain CW-tehon mittaamiseen PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Termistori mittapää (1) • Nykyiset termistorianturit sisältävät toisen parin termistoreja lämpötilassa tapahtuvien muutosten pienentämiseksi • Termistorielementit on asennettava siten, että sen sovitus on mahdollisimman lähellä syöttävän linjan sovitusta PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Termistori mittapää (2) • Käytetty suurtaajuus- ja mikroaaltotehon mittaamiseen vuodesta 1974 lähtien • Valmistetaan ohutfilmi-tekniikalla => tarkka, kestävä ja valmistuksellisesti toistettava tehoanturi, jonka ominaisuuksia ovat: – parempi herkkyys kuin termistorianturilla – automaattisesti neliöllinen ilmaisu eli anturilta saatava tasajännite on suoraan verrannollinen suurtaajuustehoon – laaja dynamiikka- ja taajuusalue – matala huojunta PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Termoparianturi • Diodeja on käytetty kauan ilmaisimina ja mikroaaltotaajuuksilla suhteellisen tehon mittauksissa sekä verhokäyräilmaisimina • Absoluuttisen tehon mittauksissa diodia voidaan käyttää vain suurtaajuus- ja mikroaaltotaajuuksilla ja niissäkin tietyillä rajoituksilla. • Low-barrier Schottky (LBS) -diodija alettiin käyttää tehonmittauksissa vuonna 1974, jolloin pystyttiin ilmaisemaan ja mittaamaan niinkin alhaista tehoa kuin -70 dBm aina 18 GHz:n taajuuksille asti. PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Diodianturit PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Diodianturit PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä • Diodiantureiden kehitys on johtanut kolmen diodin mittapäähän, jolloin mittausaluetta on saatu laajennettua ja tarkkuutta parannettua PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Kolmen diodin tehomittapää PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Termistorianturia käyttävä tehomittari PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Termoparia käyttävä tehomittari PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Diodianturia käyttävä tehomittari PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Tehomittarin nollaus PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Pulssiteho PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä = 6 dB PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Pulssin leveys PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Esimerkki pulssitehon laskemisesta PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä • Vastaanotin, jolla mitataan signaalin amplitudi taajuuden funktiona PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Spektrianalysaattori • Nykyisin analysaattorit verhokäyräilmaisevat signaalin ja muuntavat sen digitaaliseen muotoon. • Jokaista näytön pixeliä varten otetaan 8 näytettä, joista muodostetaan pos./neg. huippuarvo, rms-arvo ja näyte PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Signaalin ilmaisu • Tärkeä ja monipuolinen mittalaite, jolla pystytään mittaamaan tutkasignaalista mm: – – – – – Kantoaallon taajuus Pulssin toistotaajuus Pulssin nousu-/laskuajat Vaihekohina Huipputeho PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Spektrianalysaattori tutkamittauksissa • Amplitudi vs aika -> amplitudi vs taajuus • Resoluutiokaistanleveys (RBW) vaikuttaa mitattavan pulssin pituuteen eli mitä lyhyempi pulssi sen suurempi on RBW:n oltava PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Pulssitehon mittaus • RBW = 10 MHz -> min 500 ns pulssi pystytään mittaamaan luotettavasti PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Esimerkki pulssin pituuden vaikutuksesta • Esimerkki pulssitehon laskemisesta keskimääräisestä tehosta: PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Pulssitehon mittaus • Spektrianalysaattorilla voidaan mitata RF-pulsseja vastaavasti kuin oskilloskoopilla asettamalla spektri ns. nolla-span moodiin • Nolla-span mittauksen etuna on, että pulssi saadaan näkyviin ”oikean” muotoisena ja liipaisutasoa ja viivettä säätämällä pystytään mittaamaan pulssin nousu- ja laskuajat • Samoin pulssin huipputeho on suoraan mitattavissa nolla-span asetuksella • Tutkittavan laitteen keskitaajuuden on oltava stabiili. Vaihtelu vaikuttaa taso/teholukemiin PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Aikatason mittaus spektrianalysaattorilla PUOLUSTUSVOIMAT I FÖRSVARSMAKTEN I THE FINNISH DEFENCEFORCES Kiitos mielenkiinnosta! PVTT - Suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä
© Copyright 2024