Kafli 2 - Samskonar lögmál og gildir um bergmál

Þó svo að ratsjár notist við örbylgjur en ekki hljóðbylgjur gilda samskonar lögmál um þær og gilda um hljóðbylgjur. Þegar örbylgjur skella á fyrirbæri endurkastast þær þaðan í ratsjána og þá er hægt að reikna bæði fjarlægð og stefnu í fyrirbærið. Í ratsjánni er þessum upplýsingum umbreytt í myndræn lesanleg gögn á skjá ratsjárinnar.

Hugsum okkur að örbylgja sé send í eina tiltekna átt. Bylgjan berst áfram í beinni línu en þegar hún rekst á eitthvert fyrirbæri í vegi hennar, endurvarpast hluti bylgjunnar til baka í upphafsstað sendingarinnar, loftneti (Skanner) ratsjárinnar. Tíminn sem endurvarpið er að berast til baka gerir kleift að reikna nákvæmlega hver fjarlægðin í fyrirbærið er. Miðunin í fyrirbærið eða markið ákvarðast út frá þeirri átt sem endurvarpið berst frá. Loftnet ratsjárinnar snýst 360 gráður á láréttum ási. Út frá áttinni sem loftnetið snýr í þegar örbylgja er send frá ratsjánni er miðunin reiknuð. Hraði ratsjárgeislans (sendibylgjunnar og endurvarpsins) er nánast sá sami og ljóshraðinn (u.þ.b. 300.000 km/sek.). Segja má að endurvarp ratsjárgeisla sé samstundis komið til baka í upphafsstað (loftnetið), hvort heldur sem fyrirbærið er í 10 eða 90 sjómílna fjarlægð. Því skarpari sem sendigeislinn er, því nákvæmari verður miðunin í markið.

Margvíslegar upplýsingar má fá með útreikningum og við greiningu endurvarpa í skiparatsjám. Veðuraðstæður geta haft áhrif á endurvörp og greiningin veitir upplýsingar um hvort fyrirbærið er á hreyfingu eða kyrrt. Greiningaraðgerðir merkja (endurvarpa) svo sem „Target Analyzer“ notast við litgreiningu til að fá upplýsingar um hreyfingu fyrirbæranna. „Echo Trail“ greiningaraðgerðin gefur glögga mynda af hreyfingu fyrirbæra.

Að túlka ratsjármyndina

Kafli 3 - Hvernig er fjarlægðin í mark (fyrirbæri) reiknuð?

Þegar fjarlægð milli ratsjár og tiltekins fyrirbæris er reiknuð verður að hafa í huga að tíminn (T) sem líður frá því að sendibylgjan fer frá ratsjánni og þar til endurvarpið af fyrirbærinu hefur borist til baka í ratsjána, svarar til tvöfaldrar fjarlægðarinnar í fyrirbærið. Fjarlægðin (D) er því reiknuð skv. eftirfarandi formúlu:

D = ½ x cT

D: Fjarlægðin milli ratsjárinnar og fyrirbærisins
c: Ljóshraði, 299.792 km/sek.
T: Tíminn sem líður frá því að sendigeislinn fer frá ratsjá þar til sami geisli hefur borist til baka í ratsjána

Ratsjár senda frá sér rafsegulmagnaðar örbylgjur sem ferðast á ljóshraða. Því fylgir sá kostur að úrvinnsla gagna gerist mjög hratt.

Kafli 4 - Púlsbylgjur, sendipúlsar

Ratsjár senda örbylgjur frá sér í sendipúlsum (púlsbylgjur, Pulse wave). Þessar bylgjur eru kallaðar kassabylgjur (Square waves). Gagnsemi púlsbylgna er ekki síst sá eiginleiki þeirra að mæla nákvæmlega fjarlægð í mark á sama tíma og ratsjáin tekur á móti endurvarpi af markinu í sömu geislastefnu og stefna sendigeislans.

Ratsjá sendir púlsbylgjur stöðugt með jöfnu millibili. Breidd sendipúlsins og tíðni sendinga ráðast af fjarlægðinni í mark. Hugsum okkur sendipúls sem hefur breiddina 0,8 míkrósekúndur. Ef tíðnin er stillt á 840Hz, þá er þessi 0,8 míkrósekúnda breiði sendipúls endurtekin 840 sinnum á hverri sekúndu.

Kafli 5 - Loftnet ratsjárinnar

Fjarlægð milli ratsjár og marks er mælanleg með því að mæla tímann sem líður frá sendingu þar til endurvarp af markinu hefur borist til baka í loftnet ratsjárinnar. Loftnet siglingaratsjáa eru stefnuvirk (Directional) og ratsjáin getur reiknað stefnuna (miðun) í markið. Þó svo að loftnet siglingaratsjáa snúist 360° gerir stefnuvirkni þeirra það að verkum að ratsjáin reiknar út staðsetningu marka með mjög mikilli nákvæmni. Endurvörp örbylgna af hvaða fyrirbæri sem er eru mjög veik í samanburði við styrk þeirra í sendigeisla ratsjárinnar. Þess vegna er notast við magnara í ratsjám til að magna upp endurvarps bylgjuna og kalla hana fram sem sýnileg gögn á ratsjárskjánum.

Kafli 6 - Sjónlína ratsjár

Örbylgjurnar sem ratsjá sendir dreifast eftir yfirborði jarðar. Af ýmsum ástæðum sveigjast bylgjurnar örlítið við útbreiðsluna. Hversu mikið geislinn víkur frá beinni stefnu ræðst af mörgum ástæðum, þ.m.t. þéttleika andrúmsloftsins. Almennt má segja að ratsjárgeislinn geti vikið um 6% frá sjónlínu (Line-of-sight) ratsjárinnar. Sjónlína ratsjár í sjómílum talið, er reiknuð skv. formúlu D hér undir.

D ≈ 2,2(√H1 + √H2)

D: Sjónlína ratsjár
H1: Hæð ratsjárinnar yfir sjávarmáli (m)
H2: Hæð, yfir sjávarmáli, þess fyrirbæris sem endurvarp berst af (m)

Ef ratsjá er staðsett í skipi á stað sem er 16 m yfir sjávarmáli og ratsjárgeislinn endurvarpast af fyrirbæri sem er 9 m hátt, þá er sjónlína ratsjárinnar 15,4 sjómílur:

D = 2,2(√16 + √9). → D = 2,2(4 + 3). → D = 2,2 x 7. → D = 15,4.

Lengja má drægni ratsjár með því að staðsetja hann á hærri stað í skipinu. Að sama skapi sést fyrirbæri úr meiri fjarlægð eftir því sem það er hærra.

Nokkur dæmi yfir sjónlínur

Kafli 7 - Einingar og uppbygging ratsjár

Til að útskýra einingar og uppbyggingu ratsjár er hér notast við nýjustu gerð af magnetrónu ratsjá.

Ratsjá er að mestu samansett úr eftirfarandi einingum

• Loftnetseining (loftnet og mótor, Antenna unit): Loftnet sem sendigeislinn fer frá og mótor sem snýr loftnetinu.
• Sendi- og móttökueining (Transceiver unit): Eining sem býr til örbylgjur og vinnur úr endurvörpum.
• Vinnslueining (Processing unit): Eining sem vinnur úr merkjum/endurvörpum frá öðrum hlutum ratsjárinnar og ytri búnaði.
• Skjár (Display unit): Birtir myndir á ratsjár skjánum frá merkjum/endurvörpum og tengdum nemum.
• Stjórneining (Control unit): Stjórnun og aðgerðir ratsjárinnar.

Hvað varðar Furuno ratsjár, eru þessar einingar hannaðar og samansettar með hagkvæmni að leiðarljósi og settar saman að fínstilltum hætti, þ.m.t. varðandi uppsetningu í skipum.

Kafli 8 - Grunnvinnsla í ratsjám

Eftirfarandi texti lýsir þeim aðgerðum eða vinnslum sem eiga sér stað í ratsjá, frá því að ratsjárgeisli er sendur og þar til endurvarp er orðið myndrænt á skjá ratsjárinnar.

1. Um leið og rafspenna lætur sendigeisla hefjast í sendi- og móttökueiningunni, sendir magnetróna ratsjárinnar frá sér kröftugan örbylgjugeisla. Um leið og merki kemur frá vinnslueiningunni lætur sendi- og móttökueiningin sendigeisla hefjast. Örbylgjurnar berast í loftnetið um sérstakt rör, bylgjubeini (Waveguide) og frá loftnetinu í tiltekna átt.
2. Sendibylgjurnar fara frá loftnetinu í beinni línu yfir haffletinum. Þær endurvarpast af þeim fyrirbærum sem þær lenda á (skip, sker o.fl.), berast til baka í loftnetið og verða þannig að upplýsingum um fyrirbærið.
3. Endurvarps örbylgjurnar sem berast til baka í loftnetið fara gegnum nokkrar straumrásir í loftnetinu: Tíðnibreytingu (Frequency conversion), mögnun merkisins (Signal amplification) og myndbandsnema (Video detection). Þegar myndbandsmerkið hefur verið magnað er því breytt í loftnetinu í stafrænt merki sem er sent áfram í örgjörvann (Processor).
4. Merkinu sem sent er í örgjörvann, sem og öllum öðrum merkjum sem berast honum frá öðrum tækjum, er umbreytt í sjónrænar upplýsingar á skjá ratsjárinnar þar sem auðvelt er að túlka þær.

Kafli 9 - „Að sjá“ er hlutverk ratsjár

Loftnet ratsjár er eining sem sendir útvarpsbylgjur og tekur á móti endurvarpi þessara bylgja. Notagildi loftnetsins felst í eiginleika þess að nema nákvæmlega hver stefnan er í fyrirbærin sem endurvörpin berast frá. Þess vegna skiptir öllu máli að beina geislunum í tiltekna stefnu til þess að ákvarða nákvæmlega stefnuna í fyrirbærin. Þetta er nefnt stefnuvirkni útvarpsbylgja.

Efsti hluti loftnets er kallaður „slot“ loftnet (Slot antenna). Örbylgjurnar sem sendi- og móttökueiningin framleiðir eru sendar gegnum bylgjuleiðara (Waveguide) í raufir loftnetsins, og þaðan út frá ratsjánni. Raufirnar eru staðsettar á framhlið bylgjuleiðarans inni í loftnetinu og halla á millibili sem nemur hálfri bylgjulengd. Halli raufanna er örlítið misjafn. Með því að sameina bylgjurnar sem koma frá öllum raufunum verður til bylgja sem beinist í afar nákvæma stefnu. Því fleiri sem raufirnar eru því nákvæmari verður stefna bylgjunnar. Því lengra sem loftnetið er, því fleiri raufum má koma fyrir og því meiri verður stefnunákvæmnin.

Kafli 10 - Um örbylgjur

Örbylgjurnar sem unnið er með í ratsjám eru með sérlega stutta bylgjulengd. Af því leiðir að fullyrða má að þær fari um andrúmsloftið í beinni línu, svipað og ljósgeisli. Örbylgjur brotna ekki af völdum jónhvolfsins eins og aðrar bylgjur með lægri tíðni en 30 MHz. Því má segja að örbylgjur berist áfram í beinni línu svo langt sem augað eygir.

Ský og þoka „gleypa“ ekki örbylgjur eins og ljósgeislann, hafa engin áhrif á þær. Fyrir siglingatæki eru örbylgjur þess vegna af ákjósanlegri bylgjulengd. Tvö helstu tíðnisviðin sem eru notuð í siglingatækjum eru 3000 MHz S-bandið og 9000 MHz X-bandið.

Flokkun IEEE (Institude of Electrical and Electronics Engineers) á örbylgjutíðnum

Kafli 11 - X-band og S-band ratsjárloftnet

Bylgjulengd X-bands er stutt, eða 2,5 - 3,75 cm. Oft er talað um 3 cm ratsjár. Því styttri sem bylgjulengdin er (því hærri sem tíðnin er), því beinni verður útbreiðsla hennar og auðveldara verður að senda út stefnubundna geisla og að taka á móti endurvörpum þeirra af fyrirbærunum. Því styttri sem bylgjan er, þeim mun nákvæmara og skilvirkara verður ratsjárloftnetið. Þar sem allir íhlutir X-band ratsjáa geta verið mjög smáir hafa þær þann kost að vera bæði hagkvæmar, fyrirferðalitlar og léttar.

S-band ratsjár hafa lengri bylgjulengd en X-band ratsjár, eða 7,5 - 15 cm. Oft er talað um 10 cm ratsjár. Dreifing bylgnanna í andrúmsloftinu verður minni, t.d. af völdum rigningar, þoku og öldugangs. S-band ratsjár eru yfirleitt með hærri sendistyrk en X-band ratsjár, sem ásamt hærri bylgjulengd skilar skýrari mynd af fjarlægum mörkum/fyrirbærum. Endurvarp S-band bylgjanna af haffletinum er með minnsta móti sem er mikill kostur fyrir skip á siglingu. Algengt er að skip séu búin bæði X-band og S-band ratsjám.

Kafli 12 - Aðgreiningargeta, geislabreidd og pulsar

Aðgreiningargeta

Hugsum okkur tvö mörk sem eru því sem næst í sömu stefnu og fjarlægð frá eigin skipi. Það er augljóslega kostur ef ratsjá eigin skips getur aðgreint þessi mörk. Aðgreiningar geta ratsjáa ræðst að allega af láréttri geislabreidd þeirra, því þrengri sem hún er, því meiri verður aðgreiningargetan. Því stærra sem loftnetið er því þrengri verður lárétt geislabreidd þeirra. Loftnet X-band ratsjár sem er 3ja metra langt gefur 0,75° geislabreidd og mikla aðgreiningargetu. Loftnetshattur með 40 cm löngu loftneti sendir frá sér ratsjárgeisla sem er að meðaltali 5,7° breiður.

Aðgreiningargeta og fjarlægðir

Geta ratsjár til að aðgreina fjarlæg mörk sem liggja mjög nærri hvort öðru ræðst að miklu leyti af lengd sendipúlsins. Aðgreiningargeta sendigeisla í stuttum sendipúlsum er meiri en í löngum og öfugt. Meira sendiafl er í löngum sendipúlsum en stuttum og þ.a.l. greina langir sendipúlsar betur mörk í mikilli fjarlægð. Af þessum ástæðum stillir ratsjáin sjálfvirkt lengd sendipúlsins eftir leitarskalanum. Litlar ratsjár notast við 3 mismunandi púlslengdir, stórar ratsjár notast við 4 til 6.

Lárétt geislabreidd og lóðrétt geislabreidd

Lárétt geislabreidd ratsjáa ræðst að hluta til af lengd loftnetsins. Lóðrétta geislabreiddin er föst. Almennt er hún 20/25 gráður til að losna við áhrif veltu og dýfu skipsins.

Púlslengd

Skiparatsjár (útvarpsbylgju ratsjár) senda sendibylgjurnar í sendipúlsum, ekki samfelldar bylgjur (continuous waves), til að hámarka aðgreiningargetuna. Púls er stakt merki sem endist visst lengi. Á stuttum leitarskölum er endingin um 0,08 míkrósekúndur, á meðallöngum skölum, um 0,6 míkrósekúndur og á löngum skölum, um 1,2 míkrósekúndur. Á stuttum leitarskölum, þrátt fyrir lágt sendiafl hafa stuttir sendiúlsar mikla greiningargetu á mörk og aðgreiningargetu. Á löngum leitarskölum og til að auka sendiaflið, endist sendipúlsinn lengur. Hvað varðar ratsjár í skipum sem sigla um ár og fljót (River Radars) er nauðsynlegt að stilla púlsinn stuttan til að hámarka aðgreiningargetuna.

Senditíðni púlsa

Senditíðni púlsa segir hver sé fjöldi sendipúlsa á einni sekúndu. Einingin er Hz eða PPS.