Tutkaheijastin

Kolminkertainen peili koostuu kolmesta ortogonaalisesta metallilevystä ja on tutkaheijastimen arkkityyppi
Kolminkertaisen peilin periaate: Signaali heijastuu aina lähteen suuntaan tulon suunnasta riippumatta.

Tutkaheijastimilla ovat heijastimet varten tutkasovelluksissa ja useimmiten suunniteltu kolminkertainen peili ( englanti Tutkaheijastin ). Tämän johdanto -osan rakenteita yhdistetään, joille tutkayksiköt antavat erityisen voimakkaan kaiku -signaalin ja siten turvalliset kohdemerkit ( englanninkielinen kohde ) tutkanäytöllä, jotka on luotu kohteille, jotka muuten ovat vain erittäin alhaisia ​​tai epävakaita tehokkaita heijastuspintoja . Tutkaheijastimet on rakennettu kvasi-optisten periaatteiden mukaisesti ja käyttävät enimmäkseen peilien heijastusta ( heijastusta sileillä pinnoilla), mutta myös taittumista ja diffraktiota tehokkaan heijastuspinnan luomiseksi . Tämä alue annetaan yleensä neliömetreinä viitearvona tutkaheijastimen tehokkuudelle.

Viitearvo

Vertailukohteesta (pallomainen heijastin) vain hyvin pieni osa pinnasta voi olla tehokas heijastumaan. Suurin osa siitä ohjataan suuntiin, joita tutkalaite ei voi käyttää.

Vertailuna on pallomainen heijastin, jonka pinta on ihanteellisesti johtava, ja jonka yhdensuuntaisen projektion projektion suuntaan kohtisuoralle tasolle (eli sen varjon tällä tasolla) pinta -ala on yksi neliömetri. Kuitenkin vain hyvin pieni alue tästä vertailuheijastimesta on tehokas heijastimena: keskellä on vain muutamia senttimetrejä, jotka voivat heijastaa tulevan lähetysenergian takaisin täsmälleen tutkalaitteen suuntaan. Kaikki muut tämän pallon pinnat jakavat tulevan energian avaruuteen. Et ole mukana heijastuksessa. Tällä viitteellä on kuitenkin se etu, että se on suunnasta riippumaton: se heijastuu yhtä hyvin kaikkiin suuntiin.

Tutkaheijastin tekee paljon suuremman osan sen pinnasta tehokkaasti heijastumaan. Jopa geometrisesti hyvin pienet kulmaheijastimen alueet, joiden pinta -ala on vain muutama neliösenttimetri, voivat heijastaa verrattavan määrän - joskus jopa enemmän - energiaa tarkasti takaisin tutkaan kuin tämä pallo, jonka halkaisija on noin 1,13 m. tai enemmän - neliömetriä.

Käytännössä tämän tehokkaan heijastuspinnan laskelmat voidaan suorittaa vain likimääräisesti. Nämä kulmaheijastimet eivät ainoastaan ​​heijasta sitä, vaan esiintyy enemmän fyysisiä vaikutuksia, esimerkiksi diffraktio ulkoreunoilla. Tämä johtaa niin sanottuun kiertoaaltoon , jonka energiaosa häiritsee sitten heijastunutta osaa joko rakentavassa tai tuhoavassa häiriössä . Kulmaheijastimen koosta ja siten kiertoaallon kiertotien pituudesta riippuen takaisin heijastunut energia voi parhaassa tapauksessa kasvaa yli kaksinkertaiseksi tai pahimmassa tapauksessa alle puoleen. Vaikutus riippuu myös tutkalaitteen aallonpituudesta. Tätä käyttäytymistä voidaan hyödyntää erityisesti merenkulussa käytettävien kulmaheijastimien tapauksessa, koska kaikki siellä käytetyt tutkalaitteet toimivat hyvin kapealla taajuusalueella (noin 9,3 - 10,5 GHz, mikä vastaa noin 3 cm: n aallonpituutta).

Kulmaheijastimet

Kulmaheijastin kahdella pinnalla

Peruselementissä kulmaheijastimet koostuvat kahdesta tai kolmesta sähköä johtavasta pinnasta täsmälleen 90 ° kulmassa toisiinsa nähden. Tätä peruselementtiä varten rakennetaan eri muotoisia kulmaheijastimia. Kolmen pinnan kulmaheijastimet heijastavat radioaaltoja ja mikroaaltosäteilyä täsmälleen siihen suuntaan, josta lähteen säteily tulee ilman, että niitä on kohdistettava kohtisuoraan siihen peilin tavoin .

Toimintatapa

Vaiheessa tapahtuva heijastus polun saman pituuden läpi: a + b + c = a ' + b' + c '.
Tällöin lähettimen suuntaan muodostuu jälleen rinnakkainen aaltorintama.

Jos aallonpituus on pieni verrattuna kulmaheijastimen geometrisiin mittoihin, heijastuminen tapahtuu puhtaasti optisten lakien mukaisesti. Saapuvat sähkömagneettiset aallot heitetään takaisin siihen suuntaan, josta ne tulevat kaksinkertaisella tai kolminkertaisella heijastuksella. Jopa pienet esineet, joilla on pieni heijastava pinta, heijastavat voimakkaasti takaisin säteilylähteen suuntaan, ne tuottavat paljon voimakkaamman tutkakaiun kuin muut heijastavat kappaleet ja näyttävät paljon kirkkaammilta analogisessa tutkanäytössä . Kaksoisheijastus toisiinsa nähden kohtisuorassa sähköä johtavilla levyillä tapahtuu vaihetahdistettavasti, koska yksittäisten vaiheiden etäisyydet ovat samat (a + b + c = a ' + b' + c '). Kulmaheijastin toimii siis missä tahansa tulokulmassa, kuten levy, joka on suorassa kulmassa tulosuuntaan nähden. Tämä vaihekoko on annettu vain siihen suuntaan, josta lähteen säteily tapahtuu. Pääsuunnassa tehollinen alue vastaa suunnilleen kulmaheijastimen projektiota tämän levyn tasolle.

Kulmaheijastimet kahdella pinnalla

Nämä kulmaheijastimet koostuvat vain kahdesta pinnasta, jotka ovat täsmälleen suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Osapinnat on asennettava täsmälleen kohtisuoraan tulevien aaltojen tasoon toimiakseen oikein. Vastoin rakenteen ilmoitettua tavoitetta heijastaa suunnilleen yhtä hyvin joka suuntaan, nämä kulmaheijastimet ovat edelleen voimakkaasti suunnasta riippuvaisia. Suurin takaisin heijastunut energia voi olla tehokas vain yhteen pääsuuntaan - symmetria -akselin suuntaan. Tämä pääsuunta annetaan, kun molempien yksittäisten heijastuspintojen yhdensuuntainen projektio on suunnilleen sama. Pinnat ovat siten suunnilleen 45 ° kulmassa symmetria -akseliin nähden. Tutkalaitteen suuntaan heijastunut energia laskee puoleen maksimista, jos symmetria -akselista poikkeaa 15 °.

Seuraava kaava pätee kahden neliömäisen kulmaheijastimen tehollisen heijastuspinnan teoreettiseen laskemiseen:

         (1)
= tehokas heijastusalue
= Heijastimen toisen puolen alue.
= Tutkatutkan aallonpituus

Kaavoja käytettäessä on huomattava, että jos kulmaheijastin on alle kymmenkertainen kuulusteluaallon aallonpituuteen nähden, heijastusalueen käytännön arvo voi poiketa jopa neljä kertaa teoreettisesti lasketusta arvosta paikallisen resonanssit. Koska usein käytettyjen navigointitutkalaitteiden taajuudet tunnetaan (noin 9,3 - 10,5 GHz), vakiokoot ovat käytännössä vakiinnuttaneet asemansa käytettyjen aallonpituuksien likimääräisinä moninkertaisina, joiden geometrinen koko on juuri sellainen, että positiivinen poikkeama teoreettisesta lasketusta arvosta tulee peliin. Mitä suurempi kulmaheijastin, sitä vähemmän resonanssin vaikutus. Kymmenen kertaa aallonpituudesta lähtien tämä vaikutus on vähäpätöinen. Tämä pätee edellä mainitulla taajuuskaistalla 30 cm: n reunapituudelta - joten se ei koske useimpia kaupoissa tarjottavia kulmaheijastimia.

Tällaisia ​​kulmaheijastimia käytetään niin sanotussa "putkiheijastimessa". Tämä on muoviputki, joka sisältää useita tällaisia ​​pieniä kulmaheijastimia, jotka on järjestetty päällekkäin ja jotka ovat epäjärjestyksessä kulma -asennosta toisiinsa.

Kulmaheijastimet kolmella pinnalla

Kolmiomainen kulmaheijastin kuution osana

Kulmaheijastimia, joissa on kolme heijastavaa pintaa 90 ° kulmassa toisiinsa nähden, käytetään silloin, kun heijastus kolmiulotteisessa tilassa on tarpeen. Nämä kolmiomaiset heijastimet toimivat kuin heijastimen optinen analogi, jota joskus kutsutaan kissan silmäksi . Suurin tehokas heijastava pinta esiintyy symmetria -akselin suunnassa. Kuvassa näkyvä kolmikulmaisista alueista tehdyn kolmikulmaisen kulmaheijastimen tehokas heijastusalue lasketaan seuraavasti:

         (2)
= Tehokas heijastava pinta
= Kolmikulmaisen kulmaheijastimen kolmen tasakylkisen kolmion kosketusreunojen pituus
= Tutkatutkan aallonpituus

Heijastuneen energian määrä ja vaihe pysyvät suhteellisen vakioina tutkalaitteiden käyttämillä taajuuksilla, tulokulmasta riippumatta, alueelle, jolla heijastunut aallonpituus tulee heijastinpintojen mittojen suuruusluokkaan. Kulmaheijastimen yksittäisten pintojen tulisi siksi olla suuria aallonpituuteen verrattuna. Mitä suurempi kulmaheijastin, sitä enemmän se heijastaa energiaa. Leveys puoli enintään pääsuunta on noin 20 ° 40 °, riippuen geometriasta kolme pintaa.

Jos vähintään kahdeksan tai useampia kappaleita tästä lasketusta kulmaheijastimesta on liitetty yhteen siten, että se heijastuu takaisin joka suuntaan, yksi kulmaheijastimista on aina enemmän tai vähemmän tehokkaasti katsovaa tutkalaitetta kohti. Tämäntyyppisellä kulmaheijastimella on erittäin monimutkainen kaavio heijastumisesta, johon tehollisen heijastuspinnan vastaava koko voidaan syöttää tulevan tutkasäteilyn suunnan funktiona. Pääsuunta on jälleen asema, jossa kaikilla kolmella näkyvällä osa -alueella on yhtä suuri yhdensuuntainen uloke.

Kolmen pinnan kulmaheijastimen etuna on sen riippumaton toiminto (se voi olla myös hieman kalteva pystysuunnassa) ja parempi mekaaninen vakaus. Tätä mallia käytetään siksi, kun kulmat voivat muuttua kahteen suuntaan. Haittapuolena on, että se on rakennettava suuremmaksi kuin kaksipintainen kulmaheijastin, jolla on sama tehokas heijastava pinta, koska kulmaheijastimen terävät päät eivät osallistu heijastukseen alkuperäisessä suunnassa. Asennosta riippuen nämä päät voivat heijastua vain kahdesti, joten tämä energia suuntautuu eri suuntaan. Rinnakkaisprojektion kokonaispinta -alasta vain suunnilleen tasasivuinen kuusikulmio on tehokas symmetria -akselin suuntaan (pääsuunta). Jotkut valmistajat tekevät sen vuoksi ilman näitä kulmia, joten kulmaheijastimen muoto on monikulmio, kuten tässä kuvassa . Usein käytetään myös pyöreistä alueista tehtyjä malleja. Ne tarjoavat hyvän kompromissin tutkan poikkileikkauksen ja tuulikuorman välillä. Ne on usein sijoitettu muovipalloon suojaamaan niitä jään kertymiseltä ja vähentämään tuulen kuormitusta entisestään. Tällaisia ​​muovipalloja, joissa on kulmaheijastimet, voidaan usein nähdä suurjännitejohdoilla moottoritien lähellä, koska ohuet viivat muodostavat vaaran helikopterilentäjille ilmavoimissa tai poliisille, kun näkyvyys on huono .

Suurin selkänoja suhteessa sivupituuteen on muodot, jotka koostuvat kolmesta neliöstä (kuutio, jossa on kolme puuttuvaa puolta), ja se vastaa puuttuvan kuution kulman suuntaan:

         (3)

Kulmaheijastin, joka on valmistettu neliönmuotoisista alumiinilevyistä ja joiden reunan pituus on 20 cm, riittää tutkakohteeksi navigointitutkalaitteille, joiden aallonpituus on noin 3 cm ja jotka toimivat enimmäkseen I / J -kaistalla sisävesiliikenteessä .

Kulmaheijastin, joka heijastuu ympärilleen lähes kaikkiin suuntiin, koostuu 12 tasakylkisestä kolmiosta ja muodostaa 8 erilaista kolminkertaista peiliä, joista jokainen on 90 ° kulmassa. Kahdeksan kulmansa vuoksi sitä kutsutaan myös kahdeksankulmaiseksi kulmaheijastimeksi.

Lüneburgin linssit

Lüneburgin linssin periaate

Lüneburgin linssit tutkaheijastimina ovat saatavana eri malleina. Käytät materiaalia, jonka kaltevuusindeksi kasvaa sisäänpäin , esimerkiksi vaahdotettua materiaalia, jonka tiheys on suurempi sisäpuolelle. Puolet tästä pallosta on metallinen peili. Heijastuksen pääsuunta on symmetria-akseli peilaamattomassa suunnassa. Tämä rakenne heijastaa myös tulevia sähkömagneettisia aaltoja täsmälleen siihen suuntaan, josta ne tulevat. Kulmaheijastimiin verrattuna se on geometrisesti suurempi ja samalla tehokkaalla heijastuspinnalla, koska sähkömagneettisten aaltojen läpäisemän materiaalin vaimennus on hieman suurempi kuin ilman.

Käytännölliseen käyttöön veneissä ja laivoissa kolme näistä palloista on valettu kokoonpanoyksikköön, jonka pääsuuntia siirretään 120 °, jolloin saavutetaan 360 ° heijastus. Tämä rakenne tunnetaan kolmilinssisenä tutkaheijastimena . Ison -Britannian viranomaisten teettämät testit osoittivat, että tämä malli on ainoa markkinoilla oleva passiivinen heijastin, joka saavuttaa tyydyttävän kaikuvaikutelman myös kallistettuna .

Lüneburgin linssin tapaan voidaan valmistaa myös kaikentyyppisiä tutkaheijastimia, joiden takana olevan peilin sijaan on vain kapea vaakasuora johtava kerros. Ne ovat erittäin kallistusriippuvaisia, koska palloon tulevat radioaallot on kohdistettava tarkasti takana olevaan heijastavaan metallinauhaan. Siksi ne soveltuvat hyvin vertailu- tai laboratoriolaitteiksi, mutta eivät käytännön käyttöön veneissä ja laivoissa.

Aktiiviset tutkaheijastimet

Transponderit ja Search and Rescue Tutkatransponderit käytetään myös vapaa merenkulun ja pelastustyöntekijät . Jos niiden elektroniikka vastaanottaa tutkapulssin, voimakas pulssi lähetetään takaisin samalla taajuudella. Nimi "heijastin" on siis todella harhaanjohtava. Tämä transponderivaste näkyy tutkalaitteessa suurempana kaiuna kuin laiva itse.Lisäksi aktiiviset tutkaheijastimet ilmaisevat valolla tai varoitusäänellä, että tutkapulssi on vastaanotettu, ja osoittavat siten muita lähellä olevia aluksia. Suuri etu passiivisiin heijastimiin verrattuna on huomattavasti lisääntynyt kantama, koska passiivisen heijastuksen sijasta on aktiivinen vaste kiinteällä lähetysteholla. Tämä on teknisesti perusteltua, koska tutkayhtälön mukaan tutkalaitteeseen vastaanotettu teho ei ole kaksisuuntaisen vaimennuksen alainen (matkalla sinne ja takaisin), vaan vain yksinkertainen vapaan tilan vaimennus . Tämä alue on kuitenkin rajoitettu tutkahorisonttiin , joka on merisovelluksissa noin 40 meripeninkulmaa antennien asennuskorkeudesta riippuen. Transponderit voivat myös lähettää takaisin koodattuja signaaleja, jotka mahdollistavat automaattisen tunnistamisen.

Näiden transponderien haittana on, että ne voivat reagoida vain rakenteellisesti ennalta määrättyihin tutkan taajuuksiin ja vain klassisiin pulssitutkiin. Niiden käyttö on siksi kiistanalaista, koska uudet tutkateknologiat käyttävät toisinaan muita taajuuskaistoja, joilla aktiivinen tutkaheijastin on tehoton. Nykyaikaiset laajakaistojärjestelmät, kuten navigointitutka, käyttävät samaa toiminnallista periaatetta kuin sotilaallisesti pieni todennäköisyys siepata tutka ja lähettävät erittäin pienen lähetystehon. Lähetyspulssiteho voi olla jopa vastaanottotason melutason alapuolella. Transponderi ei ehkä edes huomaa näitä impulsseja tai niiden monimutkaista modulaatiota ei voida lähettää takaisin. Elektronisen piirin väistämättömän ylimääräisen viiveajan vuoksi transponderisignaali näkyy todellista etäisyyttä suuremmalla etäisyydellä, yleensä noin 2-3 meripeninkulman päässä passiivisesti heijastuneesta signaalista.

käyttää

Tutka heijastin Inachabkuppe vuonna Namibian käytettiin kansallisten tutkimus (2017).
Tutkaheijastin on keskellä.
Oktaedrinen kulmaheijastin moottoriveneen yläosassa nelinkertaisessa asennossa

Kulmaheijastimia käytetään tutkalaitteiden kohteina :

  • kalibrointistandardina antennien vapaan tilan kalibrointiin (esimerkiksi lennonjohdossa tarkkuuslähestymistutkan suunnan tarkistamiseen )
  • navigoinnin apuna merkitsemiseksi laivareittien vaikea vedessä (päällä kelluva merenkulku- merkkejä , silloilla)
  • kiitotien merkitsemiseksi lentoasemilla
  • Tutkaheijastimet vesikulkuneuvoissa, jotta ne olisi helpompi tunnistaa muiden alusten ja maantien tutkan avulla
  • simuloida suurta ohjusta ns. houkutuskohteilla
  • on säähavaintopallo tutka seuranta ja mittaaminen tuulilla korkealla merenpinnasta
  • määritettynä kohteena etäisyysmittauksille tutkalaitteille teollisissa sovelluksissa
  • vaarallisten esineiden merkitsemiseen ilmailua varten
  • kansalliseen mittaamiseen (tutkakolmiomittaus)
  • Autotutkalaitteiden testaamiseen ja kalibroimiseen moottoriajoneuvojen korjaamoissa käytetään moottorilla pyöritettyjä kulmaheijastimia, jotka tuottavat Doppler -taajuuden kääntämällä niitä .

Sovellus merenkulussa

Jotta tutkaheijastin saavuttaisi suurimman mahdollisen tehokkuutensa kuljetuksessa, tietyt olosuhteet on otettava huomioon asetettaessa:

  • Asenna mahdollisimman korkealle, esim. Purjehdusajoneuvon ylälevittimelle . Tämä varmistaa, että purjehdusajoneuvo heijastaa myös riittävän tutkakaiun, kun olennaiset osat, kuten runko tai lautta, ovat jo tutkahorisontin takana.
  • Kiinteä asennus, joka estää tutkaheijastimen liukumisen tai pyörimisen. Näin vältetään ei-paikallaan, niin sanottu pumppaus kaikuja, kuten olisi tapaus, esimerkiksi, joissa on "lentävät" kiinnityksen ansat , Peräharuksen tai toppnant . Pumppauskaikujen tapauksessa heijastunut signaali näytetään vuorotellen eikä sitä näytetä vastaanottimen tutkanäytössä. Viihde- ja kaupallisessa merenkulussa käytettävät tutkan rasteriskannausjärjestelmät voivat kuitenkin tukahduttaa tällaiset pumppauskaikuja niin, että purjelaivaa ei havaita.
Nelinkertaistaa
Kuusi muodostumista

Oktaedrin tutkaheijastin, jossa on kahdeksan kolmikulmaista kulmaheijastinta, voidaan periaatteessa asentaa vesikulkuneuvon kahteen eri asentoon: neliasentoon tai kuuteen asentoon. Kun luodaan neljä, yksi piste on suunnattu täsmälleen ylöspäin ja vastakkainen piste tarkasti alaspäin. Tässä asennossa on kuitenkin heikot heijastusominaisuudet vaakasuunnassa, koska käytännössä vain neljä kulmaheijastinta myötävaikuttaa heijastumiseen. Se ei siis sovellu vesikulkuneuvoille. Kun luodaan kuusi, kulmaheijastin kohdistetaan sen pinnan normaalin kanssa täsmälleen ylöspäin ja vastakkainen kulmaheijastin sen pinnan normaalin kanssa on kohdistettu täsmälleen alaspäin, joten tätä asemaa kutsutaan myös sateen kiinnitysasentoksi . Vaakasuunnassa tällä asennolla on pienempi, mutta tasapainoisempi heijastusominaisuus kuin neliasennossa, joten se soveltuu erityisen hyvin vesikulkuneuvoihin.

Seuraava kuva esittää kahden mainitun asennon mitatun heijastuskaavion käyttäen esimerkkiä 16 tuuman oktaedrisestä tutkaheijastimesta 0 °: n kaltevuuskulmassa eli vaakasuunnassa. Sininen käyrä näyttää heijastuskaavion neljän muodostumiselle ja punainen käyrä heijastuskaavio kuuden muodostumiselle:

Mitatut tehokkaat heijastusalueet kahdeksankulmaiselle 16 tuuman kulmaheijastimelle napakoordinaateissa logaritmisella esityksellä, nelinumeroinen sininen käyrä, kuusinumeroinen punainen käyrä

Mukaan SOLAS-yleissopimuksen V luvun kaikki alukset, kuten urheilua veneet, on varustettava tutkaheijastimilla "jos mahdollista". ISO 8729 koskee tällä hetkellä laitteita , jotka ovat saatavana kahdessa osassa (ISO 8729-1 passiivisille ja ISO 8729-2 aktiivisille heijastimille). Passiivisten heijastimien, joiden tehokas heijastusalue on 2,5 m², reunan pituus (ulkoreuna) on 22 cm (10 GHz) yhtälön (2) mukaisesti, ja ne voidaan helposti asentaa pienempiin huviveneisiin. Pohjimmiltaan suositus on kuitenkin käyttää suurinta mahdollista heijastinta, joka voidaan asentaa alukseen, koska oktaedrisella tutkaheijastimella, jonka reunan pituus on kaksinkertainen, on jo 16 kertaa suurempi heijastusalue yhtälön (2) mukaan.

nettilinkit

Commons : Kulmaheijastimet  - kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja

Yksilöllisiä todisteita

  1. johtaminen kaavat on radartutorial.eu
  2. b ussailing.org ( Memento syyskuusta 28, 2007 Internet Archive )
  3. Aerospaceweb.org | Kysy meiltä - Tutkan poikkileikkaus. Haettu 1. lokakuuta 2020 .
  4. a b Mikroaallot 101 | Mikroaaltouunin koaksiaaliliittimet. Haettu 1. lokakuuta 2020 .
  5. a b c d e Meritutkaheijastimien suorituskyky markkinoilla . Ison -Britannian merionnettomuustutkintaosasto. 2007. Käytetty 23. joulukuuta 2015.
  6. a b c d Tutkimusraportti 56/09, s. 23 ja siitä eteenpäin . Liittovaltion merionnettomuustutkintakeskus. 2010. Käytetty vuonna 2019.
  7. Tutkanvalmistajan NAVICO -varoitus laajakaistatutkan käyttöoppaasta (sivu 3)
  8. Katso tutkan kolmioinnin englanninkielinen kuvaus
  9. Egon Ohlrogge: Soveltava tutkatiede - käytäntö ammattimaiseen ja virkistystoimintaan. Delius Klasing 2001, ISBN 3-88412-353-X
  10. a b Georg Fürst: Tutka laivalla-kipparin oppikirja , Pietsch-Verlag 2009, sivut 62-65, ISBN 978-3-613-50408-0
  11. SOLAS V -säännöt . Kuninkaallinen purjehdusjärjestö. Haettu 24. joulukuuta 2015.