www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

2D- of 3D-radars

Figuur 1: Diagram van een typische 2D-radar, een roterend Cosecans²-diagram.

Figuur 1: Diagram van een typische 2D-radar, een roterend Cosecans²-diagram

2D- of 3D-radars

2D- radar

Een luchtverkenningsradar moet een ruimte van een bepaalde grootte rond de radar scannen op echosignalen van vliegtuigen. Het antennestralingspatroon wordt aangepast aan de uit te voeren taak. Meestal wordt een roterend waaierpatroon of een cosecant kwadraatpatroon gebruikt. Deze vorm van ruimtelijk scannen wordt dan 2D radar genoemd. Met een dergelijke radar kunnen slechts twee coördinaten worden gemeten om de positie te bepalen. Twee vliegtuigen die boven elkaar vliegen kunnen met deze radar alleen als één (maar dan groter) doel worden gedetecteerd.

Voor de derde coördinaat, de hoogte-informatie (als elevatiehoek of als berekende hoogte), moesten in het begin van de radartechnologie (rond de Tweede Wereldoorlog en zelfs in de naoorlogse periode) twee radars samenwerken. Eén radar werkte als een omnidirectionele radar en de tweede radar was toen gespecialiseerd als een zogenaamde hoogtezoeker. Beide typen radar, de rondzoekradar en de hoogtemeterradar, konden elk slechts twee coördinaten meten, dus in beide gevallen was het een 2D radar.

In het geval van radarapparatuur die door het leger wordt gebruikt, speelt de kostenfactor een ondergeschikte rol. Voor luchtverkeersleidingsradars daarentegen mag de radar niet te duur zijn. Daarom worden voor luchtruimverkenning meestal alleen 2D-radars gebruikt. De vlieghoogte wordt dan geleverd door de secundaire radar.

Figuur 2: Schema van een typische 3D-radar, een combinatie van snel elektronisch zwenken van een potloodstraal en mechanische rotatie.

Figuur 2: Schema van een typische 3D-radar, een combinatie van snel elektronisch zwenken van een potloodstraal en mechanische rotatie.

3D- radar

Wanneer de metingen van alle drie de ruimtelijke coördinaten binnen één radartoestel worden uitgevoerd, wordt dit een 3D-radar genoemd.

Een speciale vorm van 3D radar is de weerradar. Deze scant de ruimte in een spiraalvormig patroon met een verticaal en horizontaal zeer smal antennepatroon. Het duurt echter tot 15 minuten voor een volledige passage met rotatie en zwenken van de antenne in alle richtingen. Deze tijdsbenadering is uitgesloten voor een verkenningsradar in de lucht, omdat zeer snelle vliegtuigen een enorme afstand kunnen afleggen in deze 15 minuten. Een vliegtuig met geluidssnelheid legt bijna 300 km af in 15 minuten!

Een 3D-radar voor luchtverkenning vergde oorspronkelijk veel technische inspanning. Er moesten meerdere ontvangstkanalen naast elkaar bestaan en de antenne moest meerdere ontvangstpatronen leveren. Zo'n radar was bijvoorbeeld de Medium Power Radar (MPR), die tegenwoordig niet meer in gebruik is. De enorme paraboolantenne had 36 hoornradiatoren en vormde in totaal 12 verschillende smalle ontvangstpatronen die onder verschillende elevatiehoeken boven elkaar waren uitgelijnd. Uit de informatie in welk van de ontvangstkanalen het echosignaal werd verwerkt en in welke richting hun diagrammen wezen, kon een exacte elevatiehoek worden geïnterpoleerd en een doelhoogte worden berekend aan de hand van de gemeten afstand. In het geval van zenden moest een extreem groot zendvermogen tegelijkertijd in alle richtingen worden verzonden. Daarom bestonden beide eindtrappen van de zender uit gepulste klystrones met een hoog vermogen die een pulsvermogen tot 20 megawatt leverden.

Oudere 3D radars met een vlakke of alleen lineaire phased array antenne zenden niet in alle richtingen tegelijk uit om waargenomen te worden. Deze antennes kunnen alleen ruimtes binnen een beperkte sector scannen. Er zijn hier twee mogelijkheden: of de antenne draait onder een zijwaartse hoek en scant elektronisch alleen de elevatiehoek, of vier antennes zijn statisch verdeeld rond een drager, die elk slechts 90° bestrijken, maar in totaal 360° verkenning mogelijk maken. In dit geval zendt de antenne, zelfs tijdens het zenden, alleen in een bepaalde richting en wacht dan op het echosignaal uit deze richting.

De roterende antenne heeft een doorslaggevend nadeel. Omdat de individuele elevatiehoeken na elkaar in de tijd worden gescand, mag hij niet te snel draaien zodat het beperkte tijdbudget geen gaten in de verkenning veroorzaakt. De versie met de statische antennes heeft daarentegen het tijdsvoordeel dat praktisch vier radars tegelijkertijd de ruimte scannen en onderworpen zijn aan slechts één gemeenschappelijke radargegevensverwerking. Hier kan het radarsysteem veel flexibeler worden gebruikt en kan het als multifunctionele radar meerdere taken op zich nemen. Moderne radars zijn daarom altijd multifunctionele radars.

Alleen met de mogelijkheid van digitale bundelvorming en de daaruit voortvloeiende parallelle verwerking van alle ontvangstkanalen kan dit tijdsprobleem volledig worden overwonnen. Maar net als bij MPR moet dan het hele te scannen gebied worden belicht met de uitgezonden energie op het moment van uitzending. Met een enkele, zeer speciale kraaiennestantenne, een patent van het Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Technology (FHR), kon het hele halfrond rond de radarlocatie tegelijkertijd worden bewaakt.

Bestaat er zoiets als 4D radar?

Een vierde dimensie wordt soms fysisch gedefinieerd als tijd. Toegepast op de doelcoördinaten van een radar zou dit de dopplerfrequentie zijn. De doppler frequentie wordt echter ook gemeten door klassieke 2D radars zonder dat ze muteren in 3D radars. Omdat een 3D-radar Doppler-frequenties meet als vierde parameter naast zijwaartse hoek, elevatiehoek en schuin bereik (en elke moderne verkenningsradar zou dit moeten kunnen), is het dan opeens een 4D-radar?

Dus 4D radar is gewoon een verkoopbevorderend modewoord dat niets te maken heeft met een vierde dimensie.