1. UVOD

Područje rada ovog radara obuhvaća frekvencijski opseg od 3 do 30 MHz, odnosno HF pojas, a

njime se mogu otkrivati objekti na prekohorizontskim udaljenostima koje variraju do nekoliko

tisuća nautičkih milja. Veliko područje djelovanja se postiže širenjem ionosferskih valova.

Širenje površinskih (zemaljskih) valova na moru se koristi za kratke, ali još uvijek

prekohorizontske udaljenosti. Područje primjene ovih radara je isto kao za mikrovalne radare, a

uključuje zrakoplove, rakete i brodove. Valne duljine koje koristi ovaj radar su istog reda

veličine kao kod oceanskih gravitacijskih valova i zato HF radari pružaju informacije o visini

valova povezanoj sa površinskim vjetrovima i morskim strujama. Također se koriste za

promatranje pojava koje se događaju u atmosferi kao što su meteori, lansiranje raketa i polarna

svijetlost.

Za učinkovit rad radara treba utvrditi parametre okruženja kao što je primjerice prijenosni put

informacija koji se može izvesti iz dodatnih vertikalnih mjerenja dubine i zakrivljenosti kao i

korištenjem samog radara kao mjerača dubine i zakrivljenosti. Potreban je i model ionosferske

gustoće elektrona koji je dovoljno složen kako bi omogućio prikladnu zvučnu interpretaciju.

Potrebna su i statistička predviđanja ionosferskih ili prijenosnih putova za dizajn i razvoj modela

radara. Ako se isti spektar koristi višestruko, potrebna su kontinuirana promatranja kako bi se

odabrale frekvencije za rad koje neće uzrokovati smetnje.

Magnituda i Doplerova raspodjela povratnog radarskog signala od površine Zemlje su glavni

faktori pri odabiru dinamičkog dosega sustava i karakteristika obrade signala. Povratni radarski

signal od morske površine se može upotrijebiti kao referentna razina.

Na slici 1.1. je prikazan primjer dosega radara i prostorne rezolucije prikladan za mete kao što su

brodovi i zrakoplovi. Na skici putanje zrake lijevo su prikazane tri vrste radarskih zraka koje

definiraju dvije zone:

Zonu u kojoj se zrake ne lome

mrtvu zonu u kojoj se zrake lome pod kutom sa velikim nagibom, a reflektiraju prije

nego je dosegnuta željena udaljenost na kojoj bi se trebale reflektirati

zona u kojoj zrake upadaju u pojas korisnog područja dosega radara.

Na skici desno su putanje zraka koje pokazuju da se korištenjem različitih radnih frekvencija

postižu različiti dosezi zraka. Udaljeniji doseg podrazumijeva veću frekvenciju.

Slika 1.1. Doseg radara

1

2. JEDNADŽBA RADARA

Jednadžba 2.1 se koristi za prikaz značajki HF radara koje se uvelike razlikuju u odnosu na

radare koji rade na višim frekvencijama. Ove razlike uključuju prilagodbu okruženju, odabir

frekvencije i valnog oblika, radarsku površinu cilja (RCS), prijenosne gubitke, šum,

interferenciju,dobitak antene, prostornu rezoluciju.

(2.1)

gdje je: S/N – izlazni signal-šum omjer

Pav – prosječna prenesena snaga, [W]

Gr – dobitak antenskog prijamnika

Gt – dobitak antenskog predajnika

T – efektivno vrijeme obrade, [s]

λ – valna duljina

σ – radarska površina cilja

Fp – faktor prijenosnog puta

No – snaga šuma, [Hz]

R – udaljenost radara i mete

Objašnjenje parametara korištenih u jednadžbi radara:

1. Dobitak antene Gt i Gr: za sve HF radare potrebno je uključiti utjecaj tla u izvedbi

antene. Npr. poluvalni dipol u slobodnom prostoru ima maksimalan dobitak nad izotropnim

radijatorom od 2.15 dB. Ako je ta antena vertikalno orijentirana iznad savršeno vodljivog

tla, ali da ga ne dodiruje, njen maksimalan dobitak će biti povećan za faktor 4 ili sa 6 dB na

8.15 dB sa nagibnim kutom 0°. Budući da tlo nikada nije savršeno ravno, njegova vodljivost

i dielektrična konstanta su faktori koji određuju izvedbu antene. Električna svojstva tla su

2

mnogo snažniji faktori za vertikalnu, nego za horizontalnu polarizaciju, ali značajke terena i

grubost površine su važni za obje polarizacije

2. Koherentno vrijeme obrade T: HF radar je tip radara kojem se u istom području nalaze

povratni radarski signali kao i mete. Doplerovo procesiranje se koristi za odvajanje mete od

povratnog radarskog signala.

3. Valna duljina λ : valna duljina ili radna frekvencija se odabire kako bi energija koja se

lomi od ionosfere osvijetlila željeno područje tla. Emisijski spektar se mora ograničiti kako

ne bi interferirao sa ostalim korisnicima. Kako su i ionosfera i raspodjela zauzetosti HF-

pojasa vremenski promjenjive poželjni su radari koji su prilagodljivi tim promjenama.

4. Radarska površina mete (RCS) σ: Radarska površina uobičajene radarske mete je

funkcija frekvencije, polarizacije i kuta pogleda. Često se za analizu koriste neke vrste

prosječnih vrijednosti. Razine smetnja su velike za većinu meta i zato predstavljaju bitan

faktor u izvedbi radara.

5. Propagacijski faktori Fp: nekoliko propagacijskih faktora kao što su Faradayeva

polarizacijska rotacija i ionosfersko fokusiranje se treba uključiti u jednadžbu. Za linearno

polarizirano zračenje Faradeyeva rotacija će rezultirati polarizacijskim promašajem

promjenjivim sa vremenom i udaljenošću. Kako većina meta ima RCS koji se mijenja s

polarizacijom, važna činjenica je da će većina povoljnih polarizacija povratno osvijetliti

metu.

6. Šum N0: za radare koji rade u HF pojasu je moguće dizajnirati prijamnike i antene s

dovoljno niskim izračunom šuma tako da je okolni šum dominantan

7. Gubitci L: podrazumijevaju se dvosmjerni gubitci poprečnih putova koji uključuju

ionosfersku apsorpciju, gubitke pri refleksiji od tla i gubitke radarskog sustava

8. Doseg R: predstavlja udaljenost preko virtualnog puta između radara i mete. Doseg za

pojedinu metu može imati više od jedne vrijednosti jer mogu postojati višestruki putovi.

3

3. ODAŠILJAČI I ANTENE

Većina HF radara zahtjeva prosječnu razinu snage odašiljača između 10 kW i 1 MW. Antene se

općenito sastoje od mnogo elemenata, a zajedničko im je da se za svaki dio koristi posebno

pojačalo. Kontrola snage i potrebe oblikovanja amplitude zahtijevaju linearan oblik pojačala.

Budući da radar koristi obradu Dopplerova signala za odvajanje mete od smetnji, smetnje

uzrokovane faznim i amplitudnim šumom koji nastaje zračenjem odašiljača ne smiju imati velik

utjecaj na željenu metu. Ovo je strogi uvjet za emitirani signal-šum omjer odašiljača. Zanemarivi

šum se može postići na način da se signal manje pojača. U jakim pojačalima mehaničke vibracije

mogu unijeti dodatni šum. Kao aktivni element za svaku krajnju fazu transmitiranja se koristi ili

vakumska cijev ili poluvodički uređaj. Ako je radar namijenjen za nadziranje velike površine,

potrebne su česte promjene frekvencije kako bi se pokrile različite veličine prostora. Relativne

promjene faze ili vremenska kašnjenja su potrebne u svakom nizu pojačala kako bi se omogućilo

azimutno usmjeravanje. Iako su neke tehnike dizajniranja visoko učinkovitih pojačala korisne za

radarske odašiljače, krajnja pojačala bi trebala biti uskopojasna. Željene značajke radara za

nadzor velikih područja su širokopojasna izvedba i tolerancija prema promjenjivom omjeru

stojnog vala. Budući da su elementi antena širokopojasni mogu zatrebati harmonijski filtri.

Ovisno o korištenoj kombinaciji odašiljača i harmonijskog filtara mogu se postići različiti

propusni i zaustavni frekvencijski pojasevi, tako za jednu kombinaciju mogu iznositi 10-ak MHz,

a za neku drugu i 18 MHz.

Kada je riječ o antenama postoje slučajevi gdje se antena kod HF radara koristi i za odašiljanje i

prijam, ali ipak je nekakva zajednička praksa koristiti odvojene antene za prijam i odašiljanje.

Kod antena koje se koriste za radare nastoje se minimizirati mehanička gibanja koja mogu

izazvati modulaciju signala. Nastoje se zadovoljiti sljedeći kriteriji:

umnožak dobitaka antene za odašiljanje i antene za prijam mora biti dovoljno velik

kako bi dovoljno doprinio osjetljivosti

širina snopa zračenja antene za prijam mora biti dovoljno uska kako bi se osigurala

točnost prikaza lokacije

4

širina snopa zračenja antene za prijam mora ograničiti razine smetnji na vrijednosti koje

su dopuštene za dinamički doseg sustava i za zahtjeve detekcije sporih meta.

4. SMETNJE – JEKA ZBOG REFLEKSIJE O ZEMLJINU POVRŠINU

U eksperimentima sa HF radarima rano je zamijećeno da smetnje primljene putem ionosferskog

vala predstavljaju jak signal i ukazuju na osvjetljenje velike površine zemlje. Daljnjim

istraživanjem, naizmjeničnim promatranjem područja Atlantskog oceana i centralnog dijela

područja SAD-a pokazano je da su smetnje zbog snage morskih valova na velikom području za

red veličine veće u Atlantskom oceanu, nego na površini slične veličine u centralnom SAD-u.

Daljnja razmatranja su pokazala da je povratni radarski signal još slabiji na ledom pokrivenom

grenlandskom području. Povratna energija sa kopna je topografski ovisna pa tako primjerice grad

u centralnim ravnicama ima veću jeku nego njegovo okolno područje. Kontrastno s tim naglim

promjenama koeficijent povratnog signala od morske površine za HF radare je gotovo sasvim

uniforman; mijenja se postupno sa dosegom i azimutom. Snaga jeke od mora je proporcionalna

površini rezolucijske ćelije. Potrebno je opisati prirodu jeke od mora. Kako bi koeficijent

raspršenja bio konstantan potrebno je dugo vrijeme usrednjavanja. Karakteristike prijenosa

prostornim valom su posebno promjenjive, ali usprkos tome morska jeka se koristi kao

amplitudna referenca.

Generiranje i propagacija oceanskih valova je jako složeno. Ista stvar vrijedi za

elektromagnetsko raspršenje valova. Za valne duljine iz HF pojasa more je površina koja je

blago zaobljena. Povratni radarski signal od morske površine se može promatrati kao rezonantna

interakcija, a nepredvidivi izgled morskih valova se može predočiti kao suma beskonačnog broja

Fourierovih površina od kojih je svaka sinusoidalno valovita ploha sa različitim valnim brojem i

smjerom. Osnovni povratni radarski signal za slučajni elektromagnetski val dolazi od one

komponente plohe koja ima valnu duljinu jednaku polovini radarske valne duljine. Koeficijent

površinskog raspršenja ili RCS po jedinici površine je puno veći za vertikalnu nego horizontalnu

polarizaciju. Jeka od morske površine sa horizontalnom polarizacijom se može zanemariti za

jako malo kutove između radarske zrake i upadne površine. Valne duljine vode između 10 i 100

m su mehanički valovi uslijed gravitacije koji u dubokoj vodi slijede disperzijsku relaciju:

5

(3.1)

gdje je: v = fazna brzina vodenog vala

g = gravitacijska konstanta

L = valna duljina vodenog vala

Vodene valove uzrokuju površinski vjetrovi. Ako vjetar puše konstantnom brzinom dovoljno

dugo i s dovoljnim dohvatom uvjeti stacionarnog stanja će se postići kada vjetar daje upravo

onoliko energije vodi koliko je potrebno za nadomjestiti disipacijske gubitke. Izazvat će valove

fazne brzine gotovo jednake brzini vjetra. Također će prouzrokovati oceanske valove manjih

brzina. Na slici 3.1a je prikazan primjer spektra izvedenog iz mjerenja valnih visina u

vremenskoj ovisnosti o frekvenciji u specifičnim točkama.

Pierson i Moskowitz su izveli sljedeću relaciju za potpuno razvijen spektar baziranu na

empirijskim podacima:

(3.2)

gdje je: S = kvadrat valne visine u Hz

ω = kutna frekvencija vodenog vala

v = brzina vjetra

C1, C2 = konstante

Eksponencijalni element aproksimira opadanje u onom dijelu spektra koji se nalazi iznad

vrijednosti maksimalne brzine vjetra. Asimptotski član ω-5 je glavna točka za razmatranje.

Kinetika zasićenja pokazuje da morska jeka predstavlja amplitudnu referencu pomoću koje se

mogu procijeniti prijenosni gubitci. Zaključak je da za vertikalno polarizirane radarske valove,

gledajući duž smjera vjetra, koeficijent površinskog raspršenja je konstantan za specifičnu radnu

frekvenciju radara. Koeficijent površinskog raspršenja ima istu vrijednost za sve frekvencije

vodenog vala duž smjera vjetra. Općenito, koeficijent raspršenja je proporcionalan kvadratu

6

rezonantne valne visine, gdje se pojam rezonantna odnosi na Fourierovu komponentu površine

gdje se valna duljina vode množi sa kosinusom kuta između površine i radarske zrake koji je

jednak jednoj polovini radarske valne duljine. Ovaj tip raspršenja se često označava kao

Braggovo raspršenje. Ovi modeli su korisni za razvijanje i razumijevanje morske površine i

interakcije radio valova. Radar koji koristi vertikalnu polarizaciju za prijenos i prijem ima

nekoliko značajnih jedinstvenih značajki: prijenosni put preko otvorenog mora, rad na više

frekvencija u periodu ponavljanja, kalibrirane antene i poznatu snagu predajnika.

7

Slika 3.1. spektralna gustoća snage vodenog vala kao funkcija frekvencije vodenog vala. Ravna

linija označava asimptotu zasićenja, a za ovaj primjer je to na većim frekvencijama. “

(a) Spektralna gustoća je usrednjena za vremenski interval od 1½h

(b) Spektralna gustoća je usrednjena za vremenski interval od 23 min

8

Jedna od značajki koju također treba promatrati je smjer vodenog vala. On nije ograničen

smjerom vjetra niti je poluizotropan, ali širi se pod kutom od 360° sa funkcijom širenja ovisnoj o

frekvenciji i drugim varijablama. HF radar ima dovoljnu osjetljivost za otkrivanje valova koji idu

u smjeru suprotnom vjetru, koji imaju RCS veći za dva reda veličine od onih valova koji idu u

smjeru vjetra.

Ako se koristi distribucija usmjerenog spektra onda je maksimalna vrijednost koeficijenta

površinskog raspršenja za zasićeno more – 27 dB u smjeru vjetra (longitudinalno more) i -39 dB

poprečno smjeru vjetra (transverzalno more). Nominalni oblici koeficijenata raspršenja za ova

dva slučaja su prikazani na slici 3.2. HF radar mora biti dizajniran kako bi se prilagodio takvim

razinama smetnji iako one neće postojati cijelo vrijeme ili odjednom preko svih područja,

osobito na višim radnim frekvencijama.

Snimanjem cijelog područja pokrivenog radarom i korištenjem omjera dviju rezonantnih

Dopplerovih frekvencija mora, može se napraviti karta na kojoj su označeni smjerovi morskih

površinskih vjetrova. Procjene stvarnih valnih visina se mogu napraviti na osnovu svojstava

višestrukog raspršenja spektra morske jeke. Glavna poteškoća vezana za ove metode je

uklanjanje jeke Dopplerova spektra koja se prenosi ionosferskim putanjama.

Sve metode koje se koriste za procjenu stanja mora ili proračun koeficijenta raspršenja

zahtijevaju dugo koherentno vrijeme obrade i usrednjavanje broja koherentnih vremena što je

često nekompatibilno s namjenom radara. Morska jeka je jak signal koji se može kontrolirati

odgovarajućim načinom rada radarskog mjerenja zakrivljenosti.

Dakle, snaga morske jeke u rezolucijskoj ćeliji je općenito veća unutar grupe signala s jekom,

postoji na otvorenom oceanu pa čak i kad je relativno miran, mijenja se s kvadratom rezonantne

valne visine koja je često ograničena na većim frekvencijama, mijenja se sa smjerom i postaje

veća za valove koji se gibaju od ili prema radaru.

9

Slika 3.2. prikaz nominalnih maksimalnih vrijednosti koeficijenta površinskog raspršenja u

ovisnosti o Dopplerovoj frekvenciji za koherentno vrijeme obrade od 51s za slučaj

longitudinalnog (ima veći iznos) i transverzalnog mora(postoje dvije jednake maksimalne

vrijednosti)

10

5. RADARSKA POVRŠINA METE (RCS)

Letjelice i brodovi su dimenzija koje ih smještaju u rezonantni pojas raspršenja. Najmanje

letjelice i rakete za kružna putovanja se nalaze u pojasu Rayleightova raspršenja za nižu polovicu

vrijednosti HF pojasa. RCS je mjera pomoću koje se određuje mogućnost radarskog

prepoznavanja određene mete. Obavezno ovisi o dimenziji mete, a parametri koji određuju RCS

neke letjelice su raspon krila, duljina trupa, širina repa, visina vertikalnog stabilizatora i njihovi

relativni položaji. Oblik mete čija je veličina mnogo manja nego valna duljina će imati jako mali

utjecaj na RCS. Za mete sa visoko vodljivim površinama radarska površina raspršenja se može

izračunati korištenjem numeričkih metoda. Grube, ali korisne RCS procjene se mogu napraviti

korištenjem nekoliko kanonskih oblika. Na slici 4.1. je prikazano nekoliko grafova RCS-a u

ovisnosti o radarskoj frekvenciji za vodljivo tijelo izduženog oblika. Ravna linija označena kao

90° λ/2 DIPOLE označava RCS rezonantne vodljive šipke polovične valne duljine gdje je šipka

paralelna s električnim poljem. Takva geometrija daje maksimalan RCS za šipku. Gornja skala

apcise prikazuje veličine polovičnih valnih duljina frekvencija prikazanih na donjoj skali.

Krivulja označena kao 90° je RCS presjek vodljivog tijela izduženog oblika dugog 11 m i

širokog 1 m. Kao i u prethodnom slučaju meta je dužinom paralelna s električnim poljem.

Maksimalni RCS se podudara sa nominalnom polovičnom valnom duljinom. Ravnine označene

kao 45, 15 i 0° prikazuju RCS mete rotirane pod ovim kutovima u ravnini koja sadrži vektor

električnog polja. Malene sličice na dnu prikazuju oblik tijela i pregled RCS-a za nominalnu

polovičnu valnu duljinu, za 1 valnu duljinu i za 3/2 valne duljine sa svrhom vizualizacije

mijenjanja RCS-a uz promjenu kuta pogleda. Za mete drugih valnih duljina sa otprilike istim

faktorom oblika odziv se može odrediti pomicanjem krivulje duž pravca λ/2 tako da se prva

rezonanca podudara sa pravcem u točki polovične valne duljine. Zrakoplovi zbog svojeg oblika

imaju RCS koji se mijenja ovisno o kutu pogleda, ali ne uvelike.

11

Slika 4.1. prikaz RCS-a vodljive mete 11m duge i široke 1m

12

6. ŠUM I INTERFERENCIJA

Za vrijeme prijenosa radiokomunikacijskim sustavom javljaju se izobličenja signala,

interferencije i šum. Izobličenje je pojava odstupanja valnog oblika signala od njegovog

izvornog oblika. Teorijski je moguće izbjeći izobličenja, ali se radi ekonomičnosti ili zbog

tehnoloških ograničenja dopuštaju određena izobličenja koja ovise o sadržaju poruke i redovito

bi trebala ostati u granicama međunarodnih preporuka (CCIR – International Radio Consultative

Committee).

Šum je neželjeni signal sa slučajnom raspodjelom amplitude koji uvijek prati koristan signal.

Šum potječe od gibanja elektrona i nemoguće ga je eliminirati. U visoko-frekvencijskom pojasu,

prijemni sustav može biti dizajniran tako da je dominantan vanjski šum.

Glavni izvor šuma na niskim frekvencijama su munjeviti elektroni ionosferski propagirani iz svih

krajeva svijeta. Na visokom kraju pojasa, vanzemaljski ili galaktički šum može biti veći od

ionosferskog. Prijemne stanice u području elektoničke opreme opsežnu uporabu mogu naći u

dominantnom šumu prouzročenim od čovjeka. HF pojas je veoma okupiran drugim korisnicima,

i odabiranje kanala se vrši tako da odašiljanja drugih odašiljača čine šum pozadinske razine.

CCIR 332 elaboratom je definirana uporaba izvora šuma. Ovaj elaborat je definiran na

mjerenjima napravljenim na 16 lokacija diljem svijeta. Mjerenje i analiza podataka su izvedeni

da bi isključili sabirne doprinose grmljavine na pojedinom lokalnom području. Spaulding i

Washburn su mnogo doprinijeli ovom elaboratu i učinili ga dostupnim. Središnje vrijednosti

razine šuma kao funkcija frekvencije su dane u obliku svjetskih mapa po sezoni i kao 4-satni

blokovi. Lucas i Harper su omogućili numerički prikaz 322 CCIR elaborata, koristan za

kompjuterska računanja,što je revizirano dodatkom rada već spomenutih Spuldinha i Washburna.

Numeričke mape središnjih vrijednosti su nadopunjene decimalnim vrijednostima kako bi se

pokazala distribucija po danima u sezoni. Ove mape šumova pokazuju razinu koju

omnidirekcionalna antena može primiti. Zajednička metoda za korištenje je da se šum tretira kao

13

izotropski, iako mora ovisiti o azimutu i kutu nagiba. Proučavanje mapa pokazuje da su tropske

kišne šume i ostala područja koncentriranih grmljavinske aktivnosti glavni izvori šuma.

Iako ovaj opis šuma ima ograničenja, ne pruža referentnu razinu za dizajn radara. HF radar je

općenito dizajniran da koristi prednosti koje nudi okolina, odnosno, podaci prijemnog šuma bi

trebali biti dovoljno dobri kako bi ograničili buku okoliša.

Slika 5.1.

Snaga šuma po Hertzu je dana za 38.65º sjeverne geografske širine i 76.53º zapadne geografske

dužine.

Slika 5.1. prikazuje:a) snaga šuma u pojasu od 1Hz razmjerna 1W (dBW) je dana kao funkcija frekvencije za tri različita izvora šuma. U praksi se primjenjuje način da se odabere najveći. Ovo je primjer zimskog dnevnog vremena na istočnoj obali SAD-a. Tri ravne linije su procijenjene šumom načinjenim od čovjeka za 3 različita izvora.Oblik antropogenske krivulje je opisan jednadžbom:

Gdje je frekvencija f u [MHz], a ln označava prirodni algoritam.

14

Ovo gore navedeno su aproksimacije mjerenja šuma koji je stvorio čovjek (za gradska, ruralna i udaljena područja). Međutim, idealna krivulja bi bila bazirana na mjerenjima u posebnom radarskom području. Krivulja galaktičkog šuma bi trebala biti odabrana kada je najveći i kada postoji put kroz ionosferu. Put neće postojati za niže frekvencije djelovanja u dnevnom vremenu. Atmosferski šum raste od nižih frekvencija do 12MHz i onda naglo pada.

b) za noćno vrijeme: sve krivulje su iste kao i pod a) , osim za atmosferski šum. Na 10MHz su dnevne i noćne razine iste, ispod 10MHz pada sa opadajućom frekvencijom po danu, a raste po noći. Iznad 10MHz su dnevne razine veće od noćnih. Ovi efekti mogu biti djelomično objašnjeni rasipajućim dalekometnim putovima po danu koja pojačavaju dalekometni šum na nižim frekvencijama,i od tamo postojanjem nekoliko ili nula nebesko-valnih putova prema zemaljskim izvorima šuma na višim frekvencijama po noći. Kasnije ćemo vidjeti da će generalno noćni šum biti veći od dnevnog za nebesko-valna objašnjenja za odabrano područje. Općenito, razvoj atmosferskog šuma u drugim razdobljima je sličan ovome zimskom. Međutim, mogu biti velike razlike u razini na različitim lokacijama na zemlji.

Ostali utjecaji koji upravljaju izvedbom radara su ponekad pogrešno shvaćeni kao pasivni šum već gore opisan. Jedan od njih je Dopplerovo raspršivanje od lokaliziranih veoma gustih nepravilnosti u nebeskoj ionizaciji, što se ponekad odnosi kao aktivan ili multiplikativni šum. Pojavljivanje ovog tipa raspršenja je veće noću i mnogo više je rasprostranjen u ionosferskim zonama i oko magnetskog ekvatora. Elkins je razvio model za ionosfersko raspršenje koji se može koristiti za točno određivanje pomrčine kada transmisijski put ide kroz ionosfersko područje. Lucas je napravio spread-F mape za uključivanje u atmosferske modele, tako da Dopplerovo raspršenje može biti predviđeno. Ionosferske nepravilnosti koje se raspršuju nazad na prijemnik radara, pojavljuju se češće noću nego danju na bilo kojoj geografskoj širini. Njihovi efekti mogu biti smanjeni prostornom rezolucijom.

Bilo tko uključen u opsežnu analizu performansi HF radara trebao bi imati numerički opis karta šumova u kompjuterskim podacima. Ukoliko je potrebno samo nekoliko predviđanja performansi, CCIR elaborat 322 se može koristiti ručno.

15

7. KORIŠTENJE SPEKTRA

Valni oblici koji mogu biti učinkoviti za HF radar su generalno slični ovima korištenim na visokim frekvencijama i odabrani zbog sličnih razloga. Međutim, transmisijski put je disperzivan, i valovi doživljavaju rotaciju polarizacije sa frekvencijom; zbog ovih utjecaja pojasne širine su ograničene na red veličine od 100kHz bez korekcije. Restriktivnije ograničenje na emisiju je nepostojanje interferencije prema i od ostalih usluga.

Frekvencijski raspon je raspoređen za različite tipove usluga kao što su: emitiranje, point-to-point komunikacija, pomorska mobilnost, aeronautička mobilnost, standardna frekvencija i vrijeme, te amaterske. Varijabilnost karakteristika ionosfere kao transmisijskog medija zahtjeva različite radne frekvencije u različitim vremenima. Jedan point-to-point sklop zahtjeva već 5 različitih frekvencija raširenih duž širokog područja ako će sklop biti pouzdan tokom svih sati u danu, sezona u godini, i kroz solarno aktivni sklop. Ako radar obavlja nadzor nad velikim područjima ionosferskom refrakcijom u svako doba dana, godišnja doba, i stupnjeva sunčane aktivnosti, potrebni su frekvencijski kanali distribuirani nad velikim dijelom HF pojasa, iako se samo jedan kanal može koristiti u bilo koje vrijeme. Kada se HF pojas skenira spektralnim analizatorom u određenom satu, može se vidjeti da su bruto značajke popunjenosti izuzetno stacionarne tijekom dana od sezone. Ovo se odnosi na odašiljačke postaje, point-to-point odašiljače s fiksiranim uslugama, i puno drugih spektralnih korisnika s regularnim programima.

Slika 6.1. Pokazuje jedan zasebni segment i vrijeme. Ova zapažanja su napravljena sa filterima pojasne širine 5kHz. Kada se koriste pojasno ograničeni filteri sa oštrim strminama, više kanala širine 5-10kHz sa neuočljivim korisnicima su generalno pronađeni unutar bilo kojeg raspona od 1MHz. Maksimalna frekvencija koja će i dalje reflektirati energiju nazad prema zemlji tokom dana može biti dvostruka noću,time popunjenost teži većoj gustoći noću nego danju.

16

Slika 6.1.Primjer spektralne popunjenosti na MADRE radaru

Dio spektra koji je koristan za ionosfersku propagaciju je gusto naseljen. Čak i izvan pojasa razine signala su uzete u obzir u prijamnom pristupnom dizajnu, gdje je poželjno imati pojasne širine mnogo veće od radarskog signala. Veliki je broj emisijskih stanica koje imaju 500kW odašiljače i antene sa više od 20dB dobitka. Postupak u raspodjeli za HF radarsko djelovanje je da se dopusti uporaba širokih spektralnih pojaseva, sa zahtjevom da ne izazovu interferenciju u postojećoj usluzi i da omoguće svojstvo isključivanja s rada za kanale koji trebaju zaštitu. Potpuni dio za HF radar je analizator kanalnog zauzeća, koji nam daje real-time opis spektralne korisnosti.

17

8.TRANSMISIJSKI MEDIJ IONOSFERSKOG VALA

Solarno zračenje i bombardiranje prilikom emisije čestica su uzrok ionizacije u gornjoj zemljinoj

atmosferi. Iako ne postoji slučajno zračenje noću, ionizacija nikad potpuno ne opadne, tj. uvijek

postoji ionosfera. Raspodjela popunjenosti elektrona je najveća kontrola propagacije HF radio-

valova. Zemaljska iluminacija preko horizonta je omogućena refrakcijom u ionosferi. Kada

iskrivljeni slučajni radio val putuje dijelom gdje popunjenost elektrona raste sa visinom, zraka je

savijena nazad od vertikale , ako je stupanj popunjenosti dovoljan, val će se reflektirati nazad

prema zemlji, omogućavajući iluminaciju na velikim udaljenostima. Što je manja radio –

frekvencija vala, potreban je manji stupanj. Kako neka ionizacija u gornjoj atmosferi uvijek

postoji, uvijek je moguće osvijetlilti zemlju preko horizonta, ako postoji sloboda u odabiru

frekvencija. Ionosferski gubitci ne postoje u smislu da je osvjetljenje na daljinu nemoguće.

Gubitci na putu su zbog nedostataka u dodjeljivanju frekvencijskih kanala i nedovoljno izračenoj

snazi. Dodatni faktori koji utječu na perforamnsu radara su ionizacijske nepravilnosti koje

degradiraju kvalitetu putanje i stupnjeviti povratni radarski signali u širenju Dopplerove

ionizacije koji mogu zamračiti odredište.

Sunčana aktivnost koja pokreće ionizaciju od zemljine atmosfere je varijabilna po danima,

godišnjim dobima, i dugoročnoj bazi uz superponiranu slučajnu komponentu. Trenutna

predviđanja i metode analize ovise o statističkom opisu ionosfere.

Dizajner radara treba statistički opis koji će omogućiti odgovarajući dizajn potrebne frekvencije

raspona, razina snage, i dobitak vertikalnog kuta zračenja. Radarski operateri trebaju model sa

dovoljno iskrivljenja kako bi se omogućila potpuna interpretacija 'real-time' ispitivanja i za izbor

operativnog parametra,te analizu podataka.

Područja ionosfere koja se smatraju potrebnima za model za razumijevanje transmisijskih puteva

su:

1. D-područje – je područje najmanjih razmatranih visina. Domet je od 50 do 90km, gdje gustoća elektrona veoma brzo raste s porastom visine, danju. Maksimum ionizacije se pojavljuje blizu subpolarne točke i najveći će biti tokom perioda najveće solarne aktivnosti.

18

D-područje ne treba biti određeno u nekim ionosferskim modelima gdje su njegovi efekti obračunati sa empirijski izvedenom računicom gubitaka puta. Mnogi modeli imaju ovu nedevijacijsku apsorpciju kao srednja vrijednost plus raspodjela.

2. E-područje – ovo ionizacijsko područje je između 90 i 130km u visinu sa maksimumom blizu 110km. Dodatno, mogu postojati neke anomalne ionizacije koje se označavaju kao sporadični-E. Ova potonja ionizacija je rijetka u visini, može biti ili ravnomjerna ili neravnomjerna, sezonski ili dnevno varijabilna, ali ne dobro povezana sa solarnom aktivnosti, i ima obilježje da varira sa zemljopisnom širinom.

3. F-područje – područje najvećih visina značajno za nebesko-valnu propagaciju, i također područje najveće gustoće elektrona. U satima danjeg svjetla mogu se razlikovati dvije komponente, posebice ljeti. F1 područje (130-200km), kao i E-područje, je direktno ovisno o solarnom zračenju, dohvaća maksimum intenziteta oko 1h nakon lokalne ponoći.F2 područje ovisi istodobno i o vremenu i o geografskoj poziciji. Visine vrhova ovog područja leže između 250 i 350km u središnjim širinama. F2 ionizacija se mijenja iz dana u dan, i generalno ne slijedi regularno sunce kao F1 i E ionizacije.

Ionosferski modeli koji su se rabili za analizu performansi HF radara se u programima zovu:

ITSA-1, ITS-78, RADAR C, IONCAP, i AMBCOM.

Veliki broj ovih modela zasniva se na velikoj bazi podataka zabilježenih u ionosferskim

istraživanjima tokom 1957.-1958.godine (Geophysical Year)i tokom 1964.-1965. (International

Year of Quiet Sun). Svi modeli se pomalo oslanjaju na podatke uzete od maksimuma i

minimuma solarno aktivnih godina jednog sunčanog ciklusa, sa dodatkom susjednog ciklusa niže

aktivnosti. Linearna interpolacija između dva ekstrema se koristi za uvjete srednje solarne

aktivnosti. Kako postoji razlika u mjerenjima aktivnosti iz jednog ciklusa u drugi, baza podataka

je limitirana. Međutim, dok se stupanj atmosferske ionizacije javlja kao stroga funkcija pozicije

u solarnom ciklusu, dotle samo slabo ovisi o mjerenju solarne aktivnosti. Uobičajeno korišteni

pokazatelji ili mjere solarne aktivnosti su SSN (SunSpot Number) i gustoća toka zračenog

mikrovala.

Forma za prikaz podataka je ona od vertikalne virtualne visine naspram frekvencijskom mjerenju

i stvarnom visinskom nacrtu. Virtualna visina je definirana kao brzina svjetlosti puta odgoda

vremena za ionosferski odjek. Stvarna visina je stvarna udaljenost prema refleksijskoj visini.

Kritična frekvencija je najveća frekvencija koja je reflektirana.

19

Slika 7.1. Predviđeni vertikalno upadni ionogram u usporedbi sa razmatranim ionogramima.

Strelica pokazuje na predviđenu 3.2MHz kritičnu frekvenciju, a točke na predviđena srednje

vrijednosti ispitivanja. Srednja vrijednost je oko 3MHz

Ova slika nam pokazuje kako se srednji ionosferski podaci uspoređuju sa skupom aktualnih

ispitivanja. Svaki od ovih ispitivanja je napravljen u istom satu, ali u različitim danima mjeseca.

Svaka trasa (krivulja) pokazuje virtualnu visinu vertikalnog ispitivanja naspram ispitivanoj

frekvenciji za uobičajenu zraku. Kada se vertikalna ispitivanja rade sa ionosondom koja koristi

linearno polariziranu antenu, ionosfera će biti birefraktivna i omogućiti dvije trase koje se

nazivaju uobičajena i izvanredna). Sa desno i lijevo cirkularno polariziranim antenama dva

odziva se mogu razdvojiti.

Slike 7.2.a i 7.2b nam daju primjer u središnjem Atlantiku bez istočne obale iz podatkovne

datoteke. Takve parcele može se dobiti na odabranoj lokaciji na Zemlji za određeni nivo solarne

aktivnosti (SSN), mjesec, doba dana. Slično kao i na prethodnoj slici, ako se sakupljanje

eksperimentalnih istraživanja uzima na geografskom položaju, SSN, doba dana u mjesecu,

medijane će približno aproksimirati krivulje. Osim toga, gornje i donje decilne vrijednosti

izmjerene mjesečne obitelji F2 kritičnih frekvencija će odstupati od srednjih ±25%. Za

performanse radara koristit će se srednje vrijednosti. Međutim, pri dizajniranju radara, raspodjelu

treba uzeti u obzir za odabir najniže radne frekvencije. Raspodjele su važne u komunikacijama

20

kada se dodjeljuje ograničeni broj kanala, ali budući da je praksa radara je odabrati optimalne

frekvencije u blizini, raspodjela i nije toliko bitna. Model koristi tri parabole za aproksimaciju

elektronske distribucije s visinom. Gustoća elektrona i kritički ili plazma frekvencija se ponekad

koriste gotovo naizmjenično, kada se to dogodi podrazumijeva se relacija , gdje je

Ne gustoća slobodnih elektrona izražena u brojkama po kubičnom metru,a f je frekvencija u

Hertzima.

Slika 7.2.Virtualna (puna linija) i stvarna (isprekidana linija) refrakcijske visine su dane za

srpanj, SSN≈50, područje obale srednjeg Atlantika ((a) za dan, (b) za noć)

21

U malim tablicama prikazanim na slikama: FC je kritična frekvencija u [MHz], HC je visina

najviše ionizacije ili nos parabole izražena u [km], YM je poludebljina parabole u [km]. ES

označava sporadičnu E-distribuciju kao srednje (M), niske (L), više (U) decilne kritične

frekvencije, u [MHz]. Ova tabela pokazuje oblik pohranjenih podataka u ionosferskom modelu, i

s njom se mogu generirati različiti profili. Sve ove konstante se mogu prilagoditi kako bi

odgovarale dijagnostičkim opažanjima.

Na slici 7.2. se vidi da je F2 kritična=6.5 MHz danju i i 4MHz noću, ljeti. Slika 7.3. daje slične

podatke ali za zimu, gdje su dnevna i noćna usporedba od 8.4MHz do 3.5 MHz.

22

Slika 7.3. Predviđeni ionogrami sa slike 7.2., ali za siječanj ((a) za dan, (b) za noć)

Slike 7.4. i 7.5. daju ljetne i zimske plazma frekvencijske konture za isto mjesto u odnosu na

doba dana. Ove parcele se daju kako bi se pokazali nagli prijelazi iz dana u noć i obratno. Tokom

zimskih svitanja kritična frekvencija se mijenja od 2 do 5 MHz u 1h. Zadatak upravljanja

radarskim frekvencijama je vrlo težak u ovim vremenskim razdobljima, tokom većine dana i noći

su promjene relativno male i spore. Taj podatak ukazuje na srednje dnevne frekvencije potrebne

za određeni put, više od 2:1 zimi i nešto manje ljeti. Varijabilnost iz dana u dan neće pokazivati

veće ekstreme.

23

Slika 7.4. Plasma-kritične-frekvencijske konture su dane kao funkcija dnevnog vremena za

srpanj, SSN≈50,geografska širina=37.55ºN, dužina=60.56ºW

Slika 7.5. Plasma-kritične-frekvencijske konture su dane kao funkcija dnevnog vremena za

siječanj, SSN≈50,geografska širina=37.55ºN, dužina=60.56ºW

U ovom odjeljku naznačene su predvidljive i slučajne varijabilnosti prijenosnog puta. Kada se

naprave opsežni i detaljni proračuni radarskih permormansi, potrebna je kompjuterski

pohranjena baza.

24