Radar: grunder

Radar är ett sätt att se med radiovågor. En sändare skickar ut en kort radiopuls, pulsen reflekteras mot ett flygplan, ett fartyg eller en regnskur, och en mottagare lyssnar efter ekot. Av tiden det tar och av vilket håll ekot kommer ifrån räknar radarn ut var målet finns, och ibland hur fort det rör sig. Det fungerar i mörker, dimma och moln, och är därför grunden för flygtrafikledning, sjöfart, väderprognoser och allt fler bilars säkerhetssystem.

Ekoprincipen#

Ropa i en dal och du hör ekot efter en stund. Ju längre bort bergväggen är, desto längre dröjer det. Radar fungerar likadant, men med radiovågor i stället för ljud. Ljud går med ca 340 m/s, så ett eko från en vägg 170 m bort kommer efter en sekund. Radiovågor går med ljusets hastighet, ca 300 000 km/s (se elektromagnetiska vågor), så för ett mål 30 km bort tar rundturen bara 200 µs.

Själva ordet radar är en förkortning av engelskans radio detection and ranging, ungefär ”radiobaserad upptäckt och avståndsmätning”.

Avstånd ur tidsfördröjning#

En radar består i grunden av en sändare, en antenn som både sänder och tar emot, en mottagare och en skärm eller dator (figur 1). Sändaren avger en kort puls, ofta bara någon mikrosekund lång, och därefter blir den tyst medan mottagaren lyssnar. Det som kommer tillbaka är ekot.

Pulsen går fram och tillbaka, så avståndet till målet är hälften av den sträcka pulsen hunnit färdas:

där $R$ är avståndet, $c$ ljusets hastighet och $\Delta t$ tiden mellan sändning och eko.

Två saker sätter gränser för vad pulsradarn kan göra med tiden.

Upplösning. En puls som är 1 µs lång är ungefär 300 m lång i rymden. Två mål som ligger närmare varandra än hälften av den längden, 150 m, ger ett enda sammanhängande eko och syns som ett mål. Kortare pulser ger alltså bättre avståndsupplösning.

Största entydiga avstånd. Radarn sänder nästa puls efter en viss tid, och sändningsfrekvensen kallas pulsrepetitionsfrekvens (PRF). Hinner ett eko från ett mycket avlägset mål inte tillbaka före nästa puls, tolkas det som ett nära mål. Avståndet utan sådana tvetydigheter är $R_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=c/(2·\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{F})$. Med PRF 1 000 pulser per sekund blir det 150 km.

Riktning och radarbild#

För att veta åt vilket håll målet finns används en antenn som sänder och tar emot i en smal stråle, ungefär som en ficklampa. När antennen vrids runt pekar strålen åt olika håll, och radarn vet i varje ögonblick åt vilket håll antennen pekar. Ett eko som kommer in medan antennen pekar mot väst och som dröjer 100 µs betyder alltså ett mål 15 km åt väster.

Den klassiska presentationen kallas PPI (eng. plan position indicator), en rund radarbild där radarn sitter i mitten (figur 2). Avståndet är avståndet från mitten, riktningen är vinkeln från norr, och en sveplinje roterar i takt med antennen. Varje eko lyser upp en fläck som sedan klingar av tills antennen kommer tillbaka efter några sekunder. Moderna radarsystem visar samma sak på en datorskärm, ofta sammanställd med information från flera radarstationer.

Strålens bredd avgör hur väl radarn kan skilja mål i sidled. Ju större antenn i förhållande till våglängden, desto smalare stråle: stråleöppningen i grader är ungefär $70·\lambda /D$, där $D$ är antennens diameter. En väderradar med en parabol på ca 4 m i C-bandet ($\lambda \approx \mathrm{5,3}$ cm) får en stråle på ungefär 1°, och på 100 km avstånd är det en bredd på ca 1,7 km. Fler detaljer om antennens strålning finns i antennparametrar.

Är målet nära horisonten finns också en gräns i höjdled. Radiovågor med dessa frekvenser går i huvudsak rakt fram, och jordens krökning gör att en radar vid marknivå inte ser lågt flygande mål på långt håll. Avståndet till radiohorisonten är ungefär $\mathrm{4,12}(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2})$ km med höjderna i meter (se VHF och UHF: radiohorisont och troposfären). För en radar på 20 m höjd och ett flygplan på 10 000 m blir det ca 430 km, men ett fartyg på 10 m höjd syns bara på ca 30 km.

Hastighet med Doppler#

Rör sig målet mot radarn blir ekots frekvens något högre, rör det sig bort blir den lägre. Det är Dopplereffekten, samma sak som gör att en ambulanssiren låter högre när den närmar sig. Frekvensskiftet är $f_D=2v/\lambda$, där $v$ är hastigheten rakt mot eller från radarn. Faktorn 2 kommer av att skiftet sker både på väg ut och på väg tillbaka.

Dopplermätning används i hastighetskontroll, i väderradar för att mäta vindar i regnet, och i radar som vill skilja rörliga mål från fasta (se radarteknik).

Radarbanden#

Radar använder frekvenser från några tiotals MHz upp till över 100 GHz. Banden har bokstavsnamn som kommer från andra världskriget, då de användes som kodord. Beteckningarna L, S, C, X, Ku, K, Ka, V och W är i dag standardiserade av IEEE (figur 3) och används över hela världen. Bokstäverna följer ingen regel: S står till exempel för short och X för ”korsad” (eng. crossed), men de flesta behöver bara kunna sina gränser. En längre genomgång finns i frekvensband och bandbeteckningar.

Valet av frekvens är en avvägning. Lägre frekvenser (L- och S-band) dämpas lite av atmosfären och regn och ger lång räckvidd, vilket passar flygtrafikledning över stora områden. Högre frekvenser (X-band och uppåt) ger smalare strålar med små antenner och bättre upplösning, vilket passar fartygsradar och bilar, men de dämpas mer av regn. Väderradar ligger i C-bandet, där regn ger tydliga ekon men dämpningen ännu är hanterbar.

Primär och sekundär radar#

Det som hittills beskrivits är primärradar: den sänder, ett mål reflekterar, och radarn tar emot ekot. Målet behöver inte veta att det syns och kan inte slå av det. Det är därför primärradar används för både flygtrafikledning och försvar. Nackdelen är att ekot är svagt, att det inte säger vad målet är, och att det är svårt att få höjden.

Sekundärradar (eng. secondary surveillance radar, SSR) är ett samarbetssystem inom flyget (figur 4). Markstationen sänder en förfrågan, och en transponder ombord på flygplanet svarar med en egen, kodad sändning. Förfrågan går på 1030 MHz och svaret på 1090 MHz. Svaret bär flygplanets identitet och höjd, och eftersom det är en aktiv sändning som inte behöver reflekteras klarar sig sekundärradarn med mycket lägre effekt och når längre. Det moderna systemet ADS-B bygger på samma frekvens (se radionavigering i luftfarten).

Radar i vardagen#

Radar finns på fler ställen än de flesta tänker på.

• Flyg: flygtrafikledare följer flygplan på radarskärmen. Flygplan har själva väderradar i nosen.
• Sjöfart: marin radar visar land, andra fartyg och bojar. Den är obligatorisk på större fartyg och finns på många fritidsbåtar.
• Väder: väderradar avslöjar regn, åska och vindar (se väderradar och vädersatelliter).
• Bil: många nya bilar har radar på 76–81 GHz för adaptiv farthållare och nödbromsning (se radio i järnväg och vägtrafik).
• Hastighetskontroll: polisens och vägverkens hastighetsmätare använder Dopplerradar eller laser.
• Rymden: radar kartlägger planeter och jordens yta från satelliter (se jordobservation och rymdforskning).

Hur mycket effekt som behövs, vad som avgör om ett mål syns och hur man kombinerar långa pulser med hög upplösning förklaras i radarteknik.

Kontrollfrågor#