Pitkän kantaman tutka-antenni.Optinen "tutka" LIDAR nopeuksia mittaamassa.
Tutka on radiotekninen mittauslaite, joka perustuu radioaaltojen (sähkömagneettisen säteilyn) avulla tapahtuvaan ilmaisuun ja mittaamiseen. Sen avulla voidaan tutkia ympäristöä monissa eri tarkoituksissa, kuten ohjata meri- tai ilmaliikennettä tai valvoa sitä (esim. tutkailmavalvonta). Sillä voidaan havaita, seurata ja mitata kohteiden suunta, etäisyys, nopeus ja muitakin ominaisuuksia. Useimmissa muissa kielissä sanaa tutka vastaa sana radar (radio detection and ranging).[1][2]
Tutka on yleisnimitys tutkajärjestelmille kuten ensiötutka PSR (primary surveillance radar), lennonjohdon lähialuetutka TAR (terminal area radar), tarkkuuslähestymistutka PAR (precision approach radar) ja lennonvarmennuksen pitkänkantamantutka ESR (en-route surveillance radar). Tutkalaitteita on valtavan laaja valikoima pienistä vartiointi- ja teollisuusautomaatiolaitteista pienen kylän kokoisiin ohjusvaroitusjärjestelmiin.[1] Tutkaksi nimitetään toisinaan myös sellaisia laitteita, jotka eivät käytä radio- tai mikroaaltoja, vaan esimerkiksi ultraääntä. Esimerkiksi auton peruutustutka on teknisesti pikemminkin kaikuluotain. Optista tutkaa kutsutaan lidariksi. Koska se ei käytä radioaaltoja se ei ole oikea tutka.
Tutkassa on radiolähetin (oma lähetin tai passiivisessa tutkassa vieras lähetin), joka lähettää voimakkaita radioaaltoja, ja radiovastaanotin, joka käsittelee (prosessoi) kohteen heijastumisesta aiheutuvia tutkakaikuja. Heijastunut heikko radiosignaali on mahdollista havaita ja vahvistaa, joten tutka sopii hyvin etäistenkin kohteiden havainnointiin.[3][4][2]
Tutkat toimivat sähkömagneettisen spektrin radioaalto- tai mikroaaltoalueella, ja siksi mittaaminen voi tapahtua lähes haitatta sumun, sateen ja pimeyden läpi, jopa erikoistapauksissa kiinteiden aineiden, kuten puun tai maaperän läpi. Käyttötarkoitus ja toimintataajuus ovat yhteydessä toisiinsa, mutta kaikki taajuusalueet ovat mittaamisessa jollain tavalla käyttökelpoisia. Säätilan vaikutus kasvaa merkitsevästi, kun taajuus on yli 3 GHz. 9 GHz:n taajuudella rankka vesi- ja lumisade vaimentavat mittausetäisyyden alle sataan kilometriin.[5][6]
Taajuusalueiden perinteisiä nimityksiä
L-alue, aallonpituus n. 30 cm, taajuus n. 1 GHz. Pitkän kantaman tutka ja toisiotutka.
S-alue, aallonpituus n. 10 cm, taajuus n. 3 GHz. Keskipitkän kantaman tutka.
C-alue, aallonpituus n. 5 cm, taajuus n. 6 GHz. Keskipitkän kantaman tutka, säätutka.
X-alue, aallonpituus n. 3 cm, taajuus n. 9 GHz. Lyhyen kantaman tutka, merenkulkututka.
K-alue, aallonpituus n. 1 cm, taajuus n. 24 GHz. Hyvin lyhyen kantaman tutka, liikenteenvalvontatutka.
Pulssitutkan lähettimen lähete on jaksotettu lyhyiksi, suuritehoisiksi pulsseiksi. Lähetetty ja maalista heijastunut signaali etenevät valon nopeudella. Aika, joka kuluu signaalin etenemisessä lähettimestä maaliin ja takaisin, on mitattavissa ja muutettavissa laskennallisesti etäisyydeksi.[3][4]
Kantoaaltotutkan jatkuvassa lähetteessä ei ole katkoksia, eikä se ole erityisen suuritehoinen. Jos siinä käytetään modulaatiota, joko taajuusmodulaatiota (FM) tai vaihemodulaatiota (PM), etäisyys voidaan mitata sen avulla määrittämällä aika, joka kuluu kun täsmälleen lähetetyn kaltainen signaalin tunnusmerkki palaa heijastuneena maalista takaisin. Aina ei ole tarpeen mitata etäisyyttä, esim. poliisin nopeudenvalvontatutka, joka on tyypillinen dopplertutka.[7]
Monopulssiperiaate.
Jos käytetty aallonpituus on kyllin lyhyt, jotta antenni voi olla kohtuullisen pieni muodostaakseen tarpeeksi terävän säteilykuvion eli keilan, voidaan sen asennon avulla määrittää maalin suunta sekä sivu- että korkeussuunnassa.
Monopulssitutka pyrkii hyvin suureen suuntatarkkuuteen. Se perustuu keilan jakamiseen kahteen (tai useampaan) osaan ja osakeilojen tuottamien kaikujen vertaamiseen keskenään, joko niiden voimakkuuden, tai vaihe-eron perusteella.[3][8]
Seuranta: Kun maalin paikka voidaan näin määritellä toistuvasti ja tarkasti, voidaan näiden reittipisteiden avulla määritellä maalin kulkunopeus ja reitti. Näitä tietoja voidaan käyttää myös maalin tulevan reitin ennakointiin esimerkiksi törmäysten estämiseksi lennonvarmennuksessa ja merenkulussa, tai maaliin osumiseksi ammuksella sotilaallisissa sovellutuksissa.[4]
Pulssidopplertutka on pulssitutkan ja dopplertutkan yhdistelmä. Tarkoituksena on eritellä kaikupulssit maalin liikehdinnän aiheuttaman dopplersiirtymän eli taajuuden pienen muutoksen perusteella. Tyypillinen sovellus on lennonvarmennustutka, joka suodattaa pois kuvasta ja tietojenkäsittelystä tarpeettomat maalit, kuten maanpinnasta, metsistä, tuuliturbiineista[9] ja rakennuksista syntyneen suuren ja tarpeettoman maalien joukon, maavälkkeen. Näin saadaan hyötymaalit, lentoliikenne, paremmin näkyville, kun se ei peity tarpeettomien maalien alle.[10][4] Dopplersiirtymän avulla voidaan eritellä esim. suihkukoneet, potkurikoneet ja helikopterit. Säätutka on myös pulssidopplertutka, vaikka sellaisia usein nimitetäänkin yksinkertaisesti dopplertutkiksi. Myös niillä on oleellinen toimintatapa eritellä ilmamassojen, jääkiteiden ja vesipisaroiden erilaisia liikekomponentteja sääennusteiden laatimisen perustaksi.[11]
Liikkuva välke pulssidopplertutkan mittausalueella on välkettä, joka ei tulekaan paikallaan pysyvästä kohteesta vaan liikkuvasta. Tällöin onkin liikekomponenttien erittely tarpeellisiin ja turhiin hyvin vaikeaa. Tällainen tilanne syntyy, jos metsän puut huojuvat kovassa tuulessa rajusti, tai jos merellä on suuria aaltoja, merivälkettä. Myös laajalti käyttöönotettu tuulivoima ja suuret tuulivoimapuistot lukuisine turbiineineen synnyttävät tilanteen, jossa tutkamaali sisältää tuuliturbiinien pyörivien roottoreiden laajan dopplersiirtymien joukon. Kun roottorisiivet vielä ovat pinta-alaltaan laajoja ja niitä on paljon, on jouduttu kehittämään vaativia laskentamenetelmiä ja kalliita laitteita uuteen ympäristöön sopeutumiseksi.[12][13]
Korkean tuuliturbiinin lapojen liike 250 – 300 metrin korkeudessa kovalla tuulella vastaa 300 – 500 km/h dopplersiirtymää, joka vastaa hävittäjälentokoneen liikehtimisnopeutta. Pyörivän turbiinin lapojen radiopinta-ala on moninkertainen hävittäjäkoneeseen verrattuna. Risteilyohjuksen tai taistelulennokin radiopinta-ala on vielä sitäkin pienempi ja ne lentävät juuri matalilla korkeuksilla. Siksi sotilaalliset vaatimukset asettavat rajoituksia tuuliturbiinien sijoitukselle.[14]
Tuulivoimaloiden lukuisat lieriömäiset tornit muodostavat suuren heijastuspinta-alan, joka voi aiheuttaa maalin paikan poikkeamisen oikeasta eli harhamaalin. Edes toisiotutka, joka on liikennekoneiden tärkeä lennonjohtoväline, ei pelastu tältä virhemahdollisuudelta. Asiaa helpotetaan tuulipuistojen ja tutka-asemien paremmalla keskinäisellä sijoituksella, jota voidaan tietokoneella mallintaa[15]. Joskus tuulipuistojen aiheuttama katvealue on katettava ylimääräisellä tutkalla[16].
Tutka ilmailussa
Pitkän kantaman tutka
Lennonvarmennustutkan antennit. SSR ylempänä ja PSR alempana.
Pitkän kantaman tutkat, ESR (en-route surveillance radar), toimivat useimmiten 1–3 GHz:n taajuudella (aallonpituus 30 cm – 10 cm). 1 GHz:n tutka toimii hyvin pitkän kantaman tutkana, jonka antennin kokonaishalkaisija on reilusti yli 10 metriä. Usein on rakennettu samaan antennikompleksiin kaksi antennia, joko päällekkäin tai seläkkäin. Niistä toinen on SSR, toisiotutka, joka ei näe kaikkia maaleja, ja toinen on "oikea" ensiötutka (primary surveillance radar, PSR), joka näkee kaikki riittävän kaiun tuottavat maalit.[1]
Lentokentän lähestymisaluetutka
Lentokentän lähestymisaluetutkaa (terminal area radar, TAR) käytetään lentoaseman lähestymislennonjohdossa (APP). Tutkan avulla ohjataan lentoliikennettä lähestymisalueen sisällä ja alueelta toiselle.[1] Lähestymisalueen tutka on ns. keskialueen tutka. Sekin on satoja kilometrejä mittaava ja siksi sillekin on sopiva taajuus 1–3 GHz[17].
Tarkkuuslähestymistutka
Tarkkuuslähestymistutkan (precision approach radar, PAR) avulla voidaan ohjata laskeutuva lentokone huonoissa sääoloissa turvallisesti kentälle. Tutkalennonjohtaja saa tutkan avulla näytölle tiedon lentokoneen sijainnista kiitotien suhteen. Hän antaa radiolla ohjeita koneen lentäjälle suunnasta ja korkeudesta, niin että kone pysyy oikealla laskeutumislinjalla. Lentokoneessa yhteydenpitoon ei tarvita muita välineitä kuin yhteysradio. Suomessa menettely oli käytössä 2010-luvulle saakka, mutta poistui Helsinki-Vantaalta jo 2000-luvun alussa. Menetelmän vähemmän tarkka versio on nimeltään valvontatutka (aerodrome surveillance radar, ASR)[1][18]
Liikennekoneen tutka
Lentokoneen säätutkan antenni.
Lentokonetutkat toimivat tyypillisesti yli 9 GHz:n taajuuksilla (alle 3 cm:n aallonpituus). Liikennelentokoneissa on tavallisesti hyvillä säätutkaominaisuuksilla varustettu tutka. Sitä toisinaan myös sanotaan säätutkaksi, vaikka se pystyy hyvin havaitsemaan muutkin edessä olevat kohteet kuin säärintamat. Myös siinä voi olla alapuolisen maaston havainnointiominaisuuksia.[1][19]
Radiokorkeusmittari
Suuremmissa lentokoneissa on tutkaperiaatteella toimiva korkeusmittari ilmanpainetoimisen mittarin lisäksi. Se on FM-periaatteella toimiva kantoaaltotutka, joka mittaa todellista etäisyyttä koneen alla olevaan pintaan.[7][20]
Merenkulkututkasta käytetään usein myös nimityksiä laivatutka ja venetutka.
Laitteen pääasiallinen käyttötarkoitus on toiminta aluksen navigoinnin apuvälineenä yhdessä kompassin, satelliittipaikantimen ja tietokoneen kanssa. Nykyään laite on käytössä myös vesiteiden kulunvalvonnassa kapeilla, mutkaisilla ja runsaasti liikennöidyillä reiteillä. Sitä tarkoitusta varten on VTS-keskus.
Oleellista merenkulkututkan toiminnassa on se, että laite havaitsee sekä liikkuvat että kiinteät kohteet. Vaikka paikannus ja kulkusuunta voidaan satelliittipaikantimella tarkkaan määritellä ja liittää digitaaliseen karttaan, tutka on ainoa apuväline, jolla olemattomissakin näkyvyysolosuhteissa voidaan havaita toinen alus ja estää yhteentörmäys.
Laitteet toimivat radioaalloilla sekä S-alueella (3 GHz) että X-alueella (9 GHz).
Jäätutka ja öljytutka ovat erikoistapauksia merenkulkututkasta. Jäätutka käyttää samaa merenkulkututkan hankkimaa kaikutietoa lisälaitteena hyödyntäen jääkentän rosoisuutta, jota on sitä enemmän, mitä paksumpaa jää on, jään nosteen aiheuttaman halkeilun takia. Alus pystyy siten valitsemaan edullisimman reitin halki jääkentän. Öljytutka käyttää samoin merenkulkututkan tutkatietoa ja perustuu öljyn aiheuttamaan vedenpinnan sileyteen verrattuna öljyttömään veteen. Öljyntorjunta-alus tai merialueen valvonta-alus voivat siten etsiä öljypäästöjä merestä. Jäätutka ja öljytutka tarvitsevat tarkoitukseen kehitetyn posessorin algoritmeineen tutkan lisälaitteena, jotta heikko signaali voidaan tulkita ja aluksen liiketila ottaa huomioon. [21]
Ilmailussa käytetään puhekielessä sanaa toisiotutka (secondary surveillance radar, SSR) erotuksena "oikeasta" ensiötutkasta, tai yksinkertaisesti ensiö ja toisio. Ne onkin usein rakennettu samaan tutkalaitteiden järjestelmään. SSR näkee vain ne lentokoneet, joilla on toisiotutkavastaaja. Jos sitä ei ole, tarvitaan ensiötutka. SSR ei ole tutka sanan varsinaisessa merkityksessä. Sen maassa oleva interrogaattori lähettää kyselysignaalia. Lentokoneen transponderi eli toisiotutkavastaaja lähettää vastaussignaalin.[22] Sana toisiotutka tarkoittaa kuitenkin kokonaista laitejoukkoa ja toimintaperiaatetta, joista tässä lisäksi muutamia:
DME (distance measuring equipment). Kertoo lentokoneelle sen etäisyyden DME-majakasta, joka voi olla muun radiomajakan yhteydessä tai itsenäinen ja sijaita reitillä tai lentoasemalla.
IFF (omatunnuslaite). (identification friend or foe) Ilmaisee onko tutkamaali oma vai vieras.
RACON (radar beacon). Merenkulussa käytettävä tutkamajakka.
SART (search and rescue transponder). Meripelastuksessa käytettävä hätämajakka.
Aktiivinen tutkaheijastin. Lisää pienen aluksen näkyvyyttä toisten aluksien tutkissa.
Sotilaallinen käyttö
Lähes kaikki tutkalaitteet ovat alun perin kehittyneet sotilaallisesta käyttötarkoituksesta. Kaikki liikenne ilmassa, avaruudessa, merellä ja jopa maastossa on sotilastarkoituksissa mahdollista tutkan avulla mitata tarkasti kaikissa olosuhteissa: pimeällä, sateessa jne. Oma liikkuminen, vihollisen liikkeet, maalien määrittäminen ja niihin osuminen ovat tyypillisiä tutkan sotilastarkoituksia. Elektroninen sodankäynti on sotilastutkien toimialaa, joten ne ovat aina huippusalaisia.[1][23][24]
Viime vuosina onkin pyritty kehittämään häiveteknologiaa hyödyntäviä, tutkassa vaikeasti havaittavia laivoja[25] ja lentokoneita (esimerkiksi F-117-rynnäkköhävittäjä tai B-2 Spirit -pommikone) kehittämällä tutkaheijastuksia vähentäviä materiaaleja ja vaikuttamalla heijastavien pintojen muotoon.[26][27]
Vastauksena häiveteknologiaan on kehitetty tutkatekniikkaa, joka pyrkii hyötymään siitä tosiasiasta, että häivesuojatun maalin signaali heijastuu useimmiten kaikkialle muualle kuin tulosuuntaansa. Tällöin tutkan vastaanotin sijoitetaankin eri paikkaan kuin lähetin. Häivetekniikka on vaikea tehdä niin, että se toimisi hyvin kaikilla aallonpituuksilla. Siksi on edullista käyttää tutkallakin monia eri aallonpituuksia samaan aikaan.[28][29]
Itse tutkakin on kehittynyt häivetutkaksi. Ajatus on hajottaa sen lähete niin laajalle spektrin alueelle ja käyttää niin pientä lähetystehoa, että lähetettä ei ole helppo havaita taustakohinasta. Kun tutkan olemassaoloa ei ole helppo ilmaista, sen vaikutuspiiriin joutumiseltakaan ei ole helppo välttyä.[30]
Suomen ilmapuolustuksessa on ilmavalvonnan perusjärjestelmänä tutkaverkko, joka koostuu lähivalvonta-, keskivalvonta- ja kaukovalvontatutkista. Lähivalvonta tarkoittaa noin 100 km:n etäisyyttä, keskivalvonta sekä kaukovalvonta noin 500 km:n etäisyyttä. Lukuisat tutka-asemat muodostavat yhdessä verkoston, joiden tiedot kootaan yhteen ja niistä syntyy ilmatilannekuva. Sitä käytetään operaatioiden suunnitteluun ja johtamiseen. Asemien paikat vaihtelevat erikoisajoneuvojen avulla. Näin parannetaan taistelunkestävyyttä. [31]
Monostaattinen tutka
Tutkat voidaan jakaa myös lähettimen ja vastaanottimen sijaintipaikan mukaan monostaattisiin, bistaattisiin ja multistaattisiin tutkiin.[32]
Monostaattinen tutka on yleisin tutkatyyppi. Monostaattisessa tutkassa lähetin ja vastaanotin ovat samassa paikassa, useimmiten samassa laitteessa. Tutka kuuntelee kohteesta kohtisuoraan takaisin kaikuvaasignaalia ja sen vuoksi se havaitsee huonosti stealth-kohteita. Jos sekä lähetin että vastaanotin ovat samassa laitteessa, kohteen etäisyyden laskeminen on helppoa pulssin matkaan käyttämän ajan perusteella.[32]
Bistaattinen tutka
Bistaattisen tutkan lähetin ja vastaanotin sijaitsevat eri paikoissa. Koska häivelentokoneet pyrkivät suojautumaan monostaattista tutkaa vastaan ohjaamalla tutkasignaalin muualle kuin takaisin tulosuuntaansa, bistaattinen tutka kykenee havaitsemaan myös näitä maaleja. Tutkan kaikua vastaaottavaan laitteeseen on vaikeaa kohdistaa häirintää, koska se on täysin passiivinen.
Bistaattisen tutkan periaatetta käytetään myös puoliaktiivisissa tutkaohjatuissa ohjuksissa, joissa maalia valaiseva tutka on erillään ohjuksesta.[32][28]
Multistaattinen tutka
Multistaattinen tutka on bistaattisen tutkan laajennettu versio, johon kuuluu useita eri paikoissa sijaitsevia vastaanottimia. Myös lähettimiä voi olla useita.
Useiden vastaanottavien ja lähettävien laitteiden verkko havaitsee erinomaisesti monostaattista tutkaa harhauttamaan rakennetut stealth-lentokoneet. Isoa multistaattista tutkaverkkoa on erittäin vaikea häiritä sen verkostomaisen mukautuvuuden sekä vastaanottimien tuntemattoman sijainnin vuoksi, ja se voidaan ulottaa näkemään horisontin taakse.[32]
Passiivinen tutka
Passiivisilla tutkajärjestelmillä tarkoitetaan tutkajärjestelmiä, jotka tunnistavat ja seuraavat kohteita käyttäen hyväkseen tutkajärjestelmän ulkopuolisten radiolähettimien aiheuttamia heijastuksia, esimerkiksi matkapuhelinverkon tukiasemien (celldar) tai televisiolähettimien voimakkaiden radiolähetteiden aiheuttamia heijastuksia, kuten esimerkiksi Koltšuga. Passiiviset tutkajärjestelmät luokitellaan bistaattisten tutkajärjestelmien erikoistapaukseksi.
Tavalliset tutkajärjestelmät koostuvat yleensä yhteisen antennin kautta toimivasta lähettimestä ja vastaanottimesta. Lähetin lähettää signaalin ja vastaanotin vastaanottaa kohteesta heijastuneen signaalin. Lähtevän signaalin ja vastaanotetun heijastuman aikaerosta voidaan määritellä kohteen etäisyys. Passiivisessa tutkajärjestelmässä ei ole lähetintä, johon vastaanotin voitaisiin tahdistaa, vaan vastaanottimella vastaanotetaan heijastumia, jotka aiheutuvat järjestelmän ulkopuolisen radiotaajuuslähteen lähettämistä signaaleista. Siksi vastaanottimen on seurattava sijainniltaan tunnetun lähettimen lähettämää signaalia ja koetettava löytää siitä yksityiskohtia, joiden perusteella kaiku voidaan tunnistaa ja kulkuaika määrittää. Useimmissa jatkuvasti lähetettävissä lähetteissä on runsaasti pulssimuotoisia, säännöllisiä yksityiskohtia.
Passiivinen tutka -nimitystä saatetaan joskus virheellisesti käyttää passiivisista järjestelmistä, jotka seuraavat kohteen lähettämiä radiotaajuisia signaaleja, esimerkiksi tietoliikennettä, transponderia, kohteen tutkaa tai salamaniskun kohinapulssia, kuten salamatutka. Nämä järjestelmät eivät käytä hyväkseen heijastunutta energiaa, joten niitä ei voida luokitella tutkiksi.
Valvontatutka lentokoneessa
Lentokoneeseen voidaan sijoittaa myös valvontatutka, AWACS. Silloin pystytään siirtämään nopeasti ilmatilan valvonnan painopistettä tilanteen mukaisesti. Korkealla lentävällä tutkalla on myös erinomainen näkyvyysalue.
Hävittäjäkoneen tutka
Hävittäjälentokoneen tutka on, paitsi sen navigointilaite, varsinaisesti sen "tähtäin", jolla se määrittelee maalin ja johtaa asevaikutuksensa. Joissakin ilmataisteluohjustyypeissä ei ole itsessään tutkalähetintä vaan pelkkä vastaanotin, ja lentokoneen täytyy valaista maalia omalla tutkallaan kunnes ohjus on osunut siihen. Hävittäjän tutka on muutenkin hyvin monipuolinen laite, ja se pystyy myös tehokkaasti väistämään häirintää ja sopeutumaan tehtävän ja olosuhteiden vaatimuksiin.
Nykyaikainen hävittäjän tutka on periaatteeltaan AESA eli active electronically scanned array. Antennin ei tarvitse mekaanisesti liikkua ja käyttää siihen aikaa vaan keilaa liikutellaan elektronisesti ajastamalla useita antennielementtejä sopivasti. Elementit muodostavat kiinteän tason, joka itse ei liiku. Antennielementtejä voi olla satoja tai jopa tuhansia ja ne voivat sisältää myös lähetin-vastaanotin yksitköt, jotka voivat olla siis verraten pienitehoisia ja yhdessä saavuttaa riittävän tehon. Nykyaikainen hävittäjätutka voi olla myös tehokas häirintälähetin, jota elektroninen sodankäynti myös vaatii. [33]
Ohjustutka
Suomessakin käytössä ollut MtO-66- eli P-15 Termit -ohjuksen hakupää oli aikanaan kehittynyt ja tarkka X-alueen (3 cm:n) monopulssitutka.
Ilmasta ilmaan -ohjuksien maaliinhakeutumistutkat käyttävät jopa alle 1 cm:n aallonpituutta. Lyhyen aallonpituuden ansiosta antenni voi olla niin pieni, että se mahtuu pienenkin ohjuksen hakupäähän ja voi silti tehdä terävän keilakuvion. Myös suuremmilla ilmatorjunta- ja meritorjuntaohjuksilla käytetään joissakin malleissa pienen aallonpituuden tutkaa, koska se pienempikokoisena painaa vähemmän ja hyötykuormaa voidaan käyttää räjähdysaineen hyväksi. Ohjus myös avaa tutkansa vasta loppulähestymisen ajaksi, joten sen ei tarvitsekaan nähdä maaliansa suurelta etäisyydeltä.
Lentoratatutka
Kranaatinheittimien ja tykistön ammusten lentoratoja mittaava tutka mittaa kaksi tai useampia pisteitä ammuksen lentoradasta ja määrittelee sitten sen lentoradan alku- ja loppupisteet. Näin voidaan johtaa tulta maaliin osumiseksi tai määrittää vastustajan tuliasemien paikat niiden tuhoamiseksi, jolloin kyseessä on vastatykistötutka.[34][35] Suomessa on käytössä Israelista ostettuja vastatykistötutkia, joidenka peitenimi on TYTKA21.
Yli horisontin tutka (OTH)
Korkeilla taajuuksilla tutkan toimintamahdollisuuksia rajoittaa horisontti ja tutkan ja maalin keskinäinen korkeus. Yli horisontin -tutka (OTH) käyttää lyhyitä aaltoja (HF) ja niiden kykyä heijastua ionosfääristä, keskipitkiä radioaaltoja (MF) tai pitkiä radioaaltoja (LF) ja niiden pinta-aaltoetenemistapaa. Siten tutka voi mitata satoja, jopa tuhansia kilometrejä horisontin taakse, yleensä merelle. Suuren aallonpituuden vuoksi yli horisontin -tutkien antennit ovat jopa satojen metrien laajuisia kiinteitä antennikenttiä, kuten esimerkiksi Duga. Niitä tarvitaan varsinkin valtamerien sotilaalliseen valvontaan ja sään ennustamiseen sekä laittoman maahantulon, salakalastuksen ja salakuljetuksen paljastamiseen.[36]
Säätutkalla seurataan sade- ja lumisadealueiden sijaintia ja liikettä. Se lähettää pulsseina 3–10 cm pitkiä mikroaaltoja ja mittaa niiden takaisinsirontaa vesipisaroista ja lumihiutaleista: mitä enemmän sadetta, sen voimakkaampi kaiku. Säätutka on lähes aina pulssidopplertutka, pulssitutkan ja dopplertutkan yhdistelmä. Tarkoituksena on pulssitutkaominaisuuden avulla mitata sääilmiöiden sijainti ja doppler-ominaisuuden avulla ilmamassojen turbulenssit ja muut liikkeet säätieteellisten johtopäätösten tekemiseksi.[10]
Liikenteen valvonta
Pistoolimallinen dopplertutka.
Nopeudenmittaustutka eli liikenteenvalvontatutka mittaa pelkästään kohteen nopeuden dopplertutkaperiaatteella[37]. Koska se on pieni kädessä pidettävä työkalu, sen koko ei salli suurta antennia. Siksi sen aallonpituus on pieni. Sen käyttämä taajuusalue Ka, 26,5–40 GHz[38] on myös hyvin suojassa ulkopuolisilta häiriöiltä eikä aiheuta itsekään häiriöitä toisiin laitteisiin muutamaa sataa metriä etäämmälle, koska ilmakehän vesihöyryn resonanssitaajuus on lähellä tuota taajuutta ja absorboi tehon hyvin nopeasti.[7]
Nopeusvalvontakamera sisältää myös tutkan, joka laukaisee kameran tietyillä ehdoilla. Jotta olisi mahdollista mitata useita nopeuksia eri maaleista samalla kertaa ei ole mahdollista käyttää dopplertutkaa. Tiedossa ei ole mitä tekniikkaa on käytössä, mutta tehtävään sopisi esim. FM-CV-tutka tai pulssitutka. Silloin voidaan määrittää usealle maalille etäisyydet ja suunnat ja mittauksien ketjusta määritellä nopeudet kaikille erikseen.[39] Vanhemman mallisissa laitteissa on tiehen upotettuja induktiosilmukoita, jotka eivät ole tutkalaitteita.
Auton ajoneuvotutka
Onnettomuuksien vähentämiseksi on jo kehitetty tavallisten autojen tutka-avusteisia turva- ja ohjausjärjestelmiä. Jopa itsenäisesti, ilman kuljettajaa kulevia autoja on mahdollista rakentaa. Tutkatekniikalla on tällöin tärkeä osa toimiessaan auton "silminä" ympäristön havainnoimiseen. Vaikka olisi kuljettajakin, voidaan tutkalla parantaa turvallisuutta. Jo arkisia ominaisuuksia ovat: automaattinen turvallisuusjarrutus, sopeutuva automaattinen nopeudensäätö, törmäyksen varoitus kaikissa suunnissa ja kuolleissa kulmissa ja pysäköinnin avustus. Ajoneuvotutka on tuotannossa monilla valmistajilla ja sen ominaisuudet on jo pitkälle vakiintuneet. Sen teho ja ulottuvuus ovat luonnollisesti vain lähialuetta varten. Taajuusalueita ovat 24 GHz, 76 GHz ja 96 GHz. Näinkin korkeilla taajuuksilla, mutta lyhyellä etäisyydellä, tutkan kyky nähdä läpi pimeyden ja sateen on sen vahvimpia etuja.[40]
Synteettisen apertuurin tutka eli SAR (engl.synthetic-aperture radar) on yleensä lentokoneeseen rakennettu tutkalaite, jonka antenni on virtuaalisesti paljon suurempi kuin fyysisesti ja saa suuren (näennäisen) kokonsa laitteen (lentokoneen) liikkeestä.
Laite on yleensä "sivulle katsova", siis muodostaa keilan sivulle, joko toiselle tai molemmille puolille, kohtisuoraan lentokoneen, satelliitin tai muun liikkuvan alustansa liikesuuntaan nähden. Se toimii pulssitutkan periaatteella ja erittäin lyhyellä pulssin pituudella. Lähetyspulssien välillä tutka siirtyy tasaisella nopeudella vähän. Näin syntyy näennäisesti pitkä vaiheohjattu antenniryhmä, jonka näennäisten antennielementtien määrä on lähetettyjen pulssien määrä, ja koko antennin näennäinen pituus on ajetun mittausmatkan pituus. Keilan leveys on sitä kapeampi ja antennivahvistus sitä suurempi, mitä pitempi on antenni. Saadaan siis erittäin kapea keila ja tehokas tutka. Lopputuloksena saadaan hyvällä resoluutiolla lähes valokuvamainen kuva kohdealueesta. Menetyksenä on kuvan kertaluontoisuus, siis päivitystä varten tarvitaan uusi lento.[41]
SAR:n tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat kartoitus, öljyläikkien etsintä mereltä, maaperän mineraalien tutkimus ja sotilaallinen alueen tutkimus.[42][43]
Planetaarinen tutka on Aurinkokunnan kohteiden tarkkailuun tarkoitettu tekniikka. Planetaarinen tutkalähetin on radioteleskooppiin sisäänrakennettu laite, joka lähettää voimakkaita mikroaaltosignaaleja kohti tunnettuja asteroideja, komeettoja tai planeettoja ja havaitsee niistä heijastuneen kaiun. Planetaarisella tutkalla ei koskaan etsitä uusia tähtitieteellisiä kohteita.
Näkövammaisen opastutka
Kevyt henkilön vaatteiden alle tai päälle vyöllä kiinnitettävä tutkalaite, joka ilmoittaa äänimerkillä tai värinällä näkövammaisen avuksi edessä olevista esteistä, kuten henkilöistä, ajoneuvoista tai mainostauluista törmäämisten estämiseksi. Radio- tai mikroaalloilla toimiva aito lyhyen kantaman tutkalaite. Pystyy toimimaan myös vaatteiden alta, toisin kuin ultraääneen tai laseriin perustuvat varoittimet, jotka eivät ole "aitoja tutkia".[44]
Tutkan osia
Lähetin tuottaa kantoaallon halutulla taajuudella ja riittävällä teholla sekä tarkoin määrätyllä modulaatiolla. Mikroaaltoja tuottavana osana on joko magnetroni tai puolijohdeoskillaattori ja sen tehovahvistimena kulkuaaltoputki tai klystroni. Lähettimen toimintaa ohjaa modulaattori. Lähettimen tuottama teho riippuu täysin käyttötarkoituksesta. Pulssitutkan tehosta puhuttaessa tarkoitetaan yleensä lähettimen jokaisen yksittäisen pulssin huipputehoa. Tyypillisesti pienen merenkulkututkan pulssiteho on 3 kW. Keskikokoisen lennonvarmennustutkan pulssiteho voi olla 60 kW tai jopa 1 MW. Toisaalta laajakaistainen merenkulkututka tarvitsee vain watin jatkuvan tehon ja liikenteen nopeudenvalvontatutka muutaman milliwatin tehon.
Tehonsiirtolinja, jolla lähettimen teho siirretään antenniin ja antennista kaikuteho vastaanottimeen. Aaltoputki on mikroaaltojen siirtolinjana paljon käytetty pienien siirtohäviöiden vuoksi. Koaksiaalikaapeli on matalammilla taajuuksilla (VHF, UHF) käytännöllinen pienen kokonsa vuoksi.
Antennin suunnan perusteella määritellään maalin suunta. Antennin on siis voitava muodostaa terävä ja kapea keila. Antenni myös vahvistuksellaan määrää suuren osan tutkan suorituskyvystä. Antennissa muodostetaan lähetyssignaaliin oikea polarisaatio. Tyypillisenä antennina on totuttu näkemään parabolinen peiliantenni. Vaiheohjattu tasoantenni on monipuolinen, koska se voi suunnata keilaa kääntymättä itse. Merenkulkututkassa on usein rakosäteilijäantenni eli rakoantenni sen keveyden ja pienen tuulikuorman vuoksi. Periaatteessa kaikki antennityypit ovat tutkalle sopivia, vain käyttötarkoitus ja käytännöllisyys ratkaisevat.
Vastaanotin ratkaisee suuren osan tutkan suorituskyvystä. Sen on oltava riittävän herkkä, (pieni minimisignaali). Sen oma kohina ei saa olla suuri. Sen on pystyttävä tekemään osa signaalin käsittelystä.
Signaaliprosessori Osa signaalista käsitellään erillisessä prosessoinnissa, mutta jo lähettimessä modulaattori tekee siitä osan moduloidessaan lähetyssignaaliin prosessoinnissa tarvittavia osia. Myös vastaanotin prosessoi signaalista mm. dopplersiirtymän. Hyötymaalit vahvistetaan signaaliprosessoinnilla esille usein tuhansia kertoja voimakkaammasta välkkeestä, maavälkkeestä, merivälkkeestä ja sadevälkkeestä.
Näyttöyksikkö on laite, jolla tutkan hankkima informaatio esitetään käyttäjälle. Ehkä tunnetuin on PPI-näyttölaite (plan position indicator), jossa tutka on keskellä ja säteen suuntainen etäisyysakseli kiertää antennin tahdissa. Nykyisin näyttöyksikkö on enemmän tietokoneen näytön kaltainen, mutta mainittu PPI-ominaisuus on silti niissäkin näkyvissä. Tutkan informaatio myös joskus siirretään laajaan tietoverkkoon niin, että varsinaista erillistä "näyttöyksikköä" on vaikea määritellä. Näyttöyksikön yhteyteen, olkoon se sitten erillinen laite, tietokone tai kokonainen tietoverkko, on sijoitettu tutkan hallintalaitteisto kaikkien toiminta-arvojen hallittua säätämistä varten.[45]
Tutkan suorituskyky
Tutkayhtälö kuvaa matemaattisesti niitä tekijöitä, jotka vaikuttavat tutkan suorituskykyyn, kun ei oteta huomioon ilman ja sateen vaimennusta ym. ympäristön ja esteiden vaikutusta.[46][47]
Tutkan suorituskyky riippuu oleellisesti etenemisväliaineen, kuten ilman ja sen sisältämän sateen ja epäpuhtauksien aiheuttamasta vaimennuksesta, ellei tutka toimi avaruudessa. Ilmakehän vaimennus kasvaa epälineaarisesti taajuuden kasvaessa. Siinä on myös kapeita taajuusalueita, joilla vaimennus on hyvin suuri. Niitä käytetään hyödyksi sellaisilla tutkalaitteilla, joiden kantaman ei tarvitsekaan olla pitkä, ja joiden halutaan olevan suojassa elektroniselta tiedustelulta tai häirinnältä.[48]
Tutkan on myös "nähtävä" kohteensa ilman näköesteitä, kuten vuoria tai rakennuksia. Maanpinnan kaarevuuden vuoksi pinnalla olevien kohteiden on oltava horisonttia lähempänä, tai niiden korkeuden on oltava kyllin suuri. Horisonttietäisyys puolestaan riippuu paljon ilmakehän lämpötila-, kosteus- ja paineolosuhteista. Koska nämä olosuhteet alituiseen vaihtelevat, vaihtelee myös tutkan horisonttietäisyys suurissa rajoissa; täällä Pohjolassa ainakin päivittäin ja jopa tunneittain.[49] Tietyin rajoituksin tutka voi käyttää myös lyhyitä, keskipitkiä ja pitkiä radioaaltoja (HF, MF, LF). Tällaisten tutkien tarkoituksena on toimia hyvin pitkällä, tuhansien kilometrien kantamalla ja yli horisontin. Niiden toiminta perustuu mainittujen radioaaltojen etenemiseen ionosfääriheijastusta tai pinta-aaltoa käyttäen.
Maalin merkitsevä pinta-ala, radiopinta-ala, riippuu suuresti taajuudesta, jolla tutka toimii. Mitä pienempi esine pitää havaita, sitä korkeampaa taajuutta on käytettävä. Yhden aallonpituuden pitäisi mahtua maalin lävistäjälle ainakin yhden, mieluimmin useamman kerran. Myös maalin materiaalilla on suuri merkitys. Myös eristysaineinen maali näkyy tutkassa, jos se muodostaa ympäröivään ilmaan verrattuna riittävän dielektrisyyden epäjatkuvuuskohdan. Myös kirkkaan ilman turbulensseja on mahdollista nähdä säätutkalla, niiden paine-erojen vuoksi. Tutkaenkeli on usein tällainen kirkkaan ilman turbulenssin muodostama kaiku. Maalin heijastusominaisuudet riippuvat sen pinnan muodoista. Sopivalla muotoilulla voidaan valmistaa tutkassa erittäin hyvin näkyviä esineitä, kuten merenkulun turvalaitteita, joissa usein on tutkaheijastin. Toisaalta voidaan tehdä jokin laite tutkassa huonosti näkyväksi muotoilemalla sopivasti ja käyttämällä sopivia materiaaleja.[50]
Tutkan historia alkaa samalla kun koko radiotekniikan historiakin saksalaisen fyysikon Heinrich Hertzin osoittaessa vuonna 1888 näkymättömien sähkömagneettisten aaltojen heijastuvan samoin kuin valo.[51] Tutkatekniikka on aina kehittynyt radiotekniikan ohessa sen osa-alueena. Sota-aikana tutkimus ja kehitys kiihtyivät, ja tutka vaikutti suuresti toisen maailmansodan lopputulokseen.
Englannissa vuonna 1942 Robert Watson-Watt aateloitiin hänen tutkan hyväksi tekemänsä työn vuoksi. Yhdessä Arnold F. Wilkinsin kanssa hän selvitti, kuinka radioaalloista lentokoneen runkoon indusoituneet virrat säteilevät. Tutkimus johti päätelmään, että radioaaltojen avulla voitaisiin havaita ilma-aluksia. Nykyaikaisen tutkan kehityksen katsotaan usein alkaneen tästä tutkimuksesta.[53]
Myös Suomessa rakennettiin Puolustusvoimien omana tuotantona suuria tutkajärjestelmiä kylmän sodan aikana, koska riittävän suorituskykyisiä laitteita ei ollut kaupallisesti saatavana. Myös alan osaamista haluttiin kehittää kotimaassa.[54]
↑Kadettialikersantti Henri Lindberg: VIIDENNEN SUKUPOLVEN HÄVITTÄJIEN HÄIVETEKNOLOGIAKandidaattitutkielma, 98. Kadettikurssi Maanpuolustuskorkeakoulu Ilmasotalinja. maaliskuu 2014. Viitattu 19.12.2020.
↑Skolnik, Merrill, I: "Introduction to Radar Systems", Sivut: 459–465, ISBN 0-07-057909-1
↑Skolnik, Merrill, I: "Introduction to Radar Systems", Sivut: 441–459, ISBN 0-07-057909-1
↑Skolnik, Merrill, I: "Introduction to Radar Systems", Sivut: 33–52, ISBN 0-07-057909-1
↑William Edgar Knowles Middleton: Radar development in Canada: the Radio Branch of the National Research Council of Canada, 1939–1946, s. 4. Wilfrid Laurier Univ. Press, 1981. ISBN 9780889201064(englanniksi)
_at_JMSDF_Yokosuka_Naval_Base_November_3,_2022_01.jpg)
