Εξηγούνται οι αρχές των θαλάσσιων ραντάρ, οι χρήσεις και τα βιομηχανικά πρότυπα

Φανταστείτε να πλοηγείστε σε πυκνή ομίχλη στην ανοιχτή θάλασσα με περιορισμένη ορατότητα. Πώς μπορείτε να αποφύγετε συγκρούσεις με άλλα πλοία και να φτάσετε με ασφάλεια στον προορισμό σας; Το θαλάσσιο ραντάρ, μια τεχνολογία που εμφανίστηκε κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, χρησιμεύει ως τα «μάτια και τα αυτιά» της ναυτικής πλοήγησης. Αυτός ο περιεκτικός οδηγός εξερευνά την τεχνολογία του θαλάσσιου ραντάρ, από τις θεμελιώδεις αρχές έως τις πρακτικές εφαρμογές και τα κανονιστικά πρότυπα.

Η κατανόηση του θαλάσσιου ραντάρ ξεκινά με το διάγραμμα μπλοκ του συστήματός του. Ενώ τα πραγματικά συστήματα ραντάρ μπορεί να είναι πιο περίπλοκα, αυτό το απλοποιημένο διάγραμμα παρέχει βασικές γνώσεις σχετικά με τα εξαρτήματα του ραντάρ, σχηματίζοντας ένα θεμέλιο για βαθύτερη μάθηση.

Τα συστήματα ραντάρ εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε παλμούς και όχι σε συνεχείς ροές. Αυτοί οι παλμοί έχουν συγκεκριμένες διάρκειες και συχνότητες επανάληψης, με διαφορετικές παραμέτρους κυματομορφής που επηρεάζουν την απόδοση ανίχνευσης. Οι κοινές κυματομορφές ραντάρ περιλαμβάνουν ορθογώνιους παλμούς και παλμούς διαμορφωμένους γραμμικής συχνότητας.

Το θαλάσσιο ραντάρ αποτελείται από τέσσερα βασικά εξαρτήματα που συνεργάζονται για την ανίχνευση και την εμφάνιση στόχων:

• Πομπός: Δημιουργεί παλμούς ηλεκτρομαγνητικής υψηλής συχνότητας - η «καρδιά» του ραντάρ.
• Κεραία (Σαρωτής): Εκπέμπει παλμούς και λαμβάνει ηχώ - τα «μάτια και τα αυτιά» του ραντάρ.
• Δέκτης: Ενισχύει και επεξεργάζεται τα ασθενή σήματα ηχούς για την εξαγωγή πληροφοριών στόχου - το «νευρικό σύστημα».
• Οθόνη: Παρουσιάζει οπτικά τις επεξεργασμένες πληροφορίες για ερμηνεία από τον χειριστή - ο «εγκέφαλος».

Ο πομπός περιλαμβάνει τροφοδοτικό, γραμμή καθυστέρησης, διαμορφωτή, σκανδάλη και μαγνήτρον. Η σκανδάλη δημιουργεί παλμούς που ελέγχουν τον διαμορφωτή για την παραγωγή παλμών υψηλής τάσης, οι οποίοι οδηγούν το μαγνήτρον για τη δημιουργία ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας που μεταδίδονται μέσω κυματοδηγού ή ομοαξονικού καλωδίου.

Η κεραία εκπέμπει κατευθυντικούς παλμούς και λαμβάνει ηχώ ενώ περιστρέφεται με προκαθορισμένη συχνότητα επανάληψης παλμών (PRF) για τη σάρωση των γύρω περιοχών. Συνήθως τοποθετείται στο υψηλότερο σημείο του πλοίου (π.χ. κατάστρωμα πυξίδας) για την αποφυγή εμποδίων.

Αποτελούμενος από ένα κελί TR, τοπικό ταλαντωτή, μίκτη, ενισχυτή IF και ενισχυτή βίντεο, ο δέκτης ενισχύει τα ασθενή σήματα ηχούς και τα μετατρέπει σε σήματα συμβατά με την οθόνη μέσω ενίσχυσης και αποδιαμόρφωσης.

Παραδοσιακά χρησιμοποιώντας σωλήνες καθοδικών ακτίνων (CRT), οι οθόνες ραντάρ παρουσιάζουν πληροφορίες στόχου σε μορφή δείκτη θέσης επιπέδου (PPI) - μια εναέρια άποψη. Η δέσμη ηλεκτρονίων δημιουργεί ακτινικές γραμμές σάρωσης συγχρονισμένες με το PRF, με την ηχώ να εμφανίζεται ως φωτεινά σημεία που υποδεικνύουν στόχους.

Το ραντάρ υπολογίζει την απόσταση του στόχου μετρώντας τον χρόνο μεταξύ της εκπομπής παλμού και της λήψης ηχούς. Το σημείο σάρωσης κινείται ακτινικά με τη μισή ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Όταν φτάνει στην άκρη της οθόνης, το κύμα έχει διανύσει δύο φορές την απόσταση της ακτίνας της οθόνης. Οι στόχοι εμφανίζονται ως φωτεινά σημεία σε αντίστοιχες αποστάσεις, ενισχυμένα από δακτυλίους εμβέλειας και μεταβλητούς δείκτες εμβέλειας (VRM) για ακρίβεια.

Η κατευθυντική κεραία περιστρέφεται δεξιόστροφα (όπως φαίνεται από πάνω) με 12-30 rpm. Η συγχρονισμένη οθόνη δείχνει τη διεύθυνση του στόχου ως τη γωνία από το κέντρο της οθόνης (0° στην κορυφή) στο σημείο του στόχου. Ένας σταθερός δείκτης πορείας υποδεικνύει την πορεία του πλοίου.

Το θαλάσσιο ραντάρ λειτουργεί κυρίως σε δύο ζώνες συχνοτήτων με διακριτικά χαρακτηριστικά:

Λειτουργεί στα 8-12 GHz (τυπικά 9GHz) με μήκος κύματος 3cm:

• Πλεονεκτήματα: Υψηλότερη ανάλυση για μικρούς στόχους/ανίχνευση ακαταστασίας. συμπαγής κεραία κατάλληλη για μικρά σκάφη.
• Μειονεκτήματα: Μικρότερη εμβέλεια. μεγαλύτερες παρεμβολές από τον καιρό (βροχή/ομίχλη).

Λειτουργεί στα 2-4 GHz (τυπικά 3GHz) με μήκος κύματος 10cm:

• Πλεονεκτήματα: Μεγαλύτερη εμβέλεια ανίχνευσης. καλύτερη απόδοση σε δυσμενείς καιρικές συνθήκες.
• Μειονεκτήματα: Χαμηλότερη ανάλυση. μεγαλύτερο μέγεθος κεραίας.

Το Κεφάλαιο V της Διεθνούς Σύμβασης για την Ασφάλεια της Ζωής στη Θάλασσα (SOLAS) ορίζει:

• Πλοία >300 GT: Ένα ραντάρ 9GHz συν ECDIS ή ηλεκτρονική συσκευή χάραξης.
• Πλοία >3000 GT: Πρόσθετο ραντάρ 3GHz και αυτόματο βοήθημα χάραξης ραντάρ (ARPA).

Αναθεωρήθηκε από την Απόφαση IMO MSC.192(79) το 2004, τα βασικά πρότυπα περιλαμβάνουν:

1. Ακρίβεια: Σφάλμα απόστασης ≤30m ή 1% (όποιο είναι μεγαλύτερο). σφάλμα διεύθυνσης ≤1°.
2. Ανάλυση: Ξεχωριστή οθόνη για στόχους 40m μακριά σε εμβέλεια ή 2,5° μακριά σε διεύθυνση.
3. Η απόδοση διατηρείται κατά τη διάρκεια ±10° κύλισης/κλίσης του πλοίου.
4. Παρέχεται ένδειξη όταν δεν εντοπίζονται στόχοι.
5. Πλήρης λειτουργία εντός 4 λεπτών από ψυχρή εκκίνηση. 5 δευτερόλεπτα από αναμονή.
6. Απαιτούμενες κλίμακες εμβέλειας: 0,25-24 ναυτικά μίλια (επιτρέπονται πρόσθετες κλίμακες).
7. Ελάχιστο δύο VRM με ψηφιακές ενδείξεις που ταιριάζουν με την ανάλυση της κλίμακας.
8. Κλίμακα διεύθυνσης εκτός της περιοχής εμφάνισης με αρίθμηση 30° και διαβαθμίσεις 5°.
9. Συναγερμοί για σήματα/αισθητήρες που απέτυχαν (γυροσκόπιο, καταγραφέας, διεύθυνση, βίντεο, συγχρονισμός, πορεία).
10. Ελάχιστες τέσσερις ανεξάρτητες παράλληλες γραμμές ευρετηρίου με μεμονωμένα χειριστήρια.