Merenkulkututka

Tyypillinen laivatutkan ARPA näyttölaite.

Merenkulkututka, laivatutka tai venetutka on aluksen navigoinnin apuväline yhdessä kompassin, satelliittipaikantimen ja tietokoneen kanssa. Se on oleellinen osa laivan komentosillan integroitua hallintajärjestelmää. Pienemmissäkin veneissä on tutkasta paljon hyötyä. Merenkulkututka onkin eräs eniten käytettyjä tutkasovelluksia. Nykyään laite on käytössä myös vesiteiden kulunvalvonnassa (VTS-keskus) kapeilla, mutkaisilla ja runsaasti liikennöidyillä reiteillä.

Toimintaperiaatteita

Oleellista merenkulkututkan toiminnassa on se, että laitteen tulee havaita sekä liikkuvat että kiinteät kohteet kaikissa näkyvyysolosuhteissa. Tutka toimii merenkulkijan näköaistin jatkeena läpi sateen ja pimeyden. Hyvälläkin näkyvyydellä se antaa ”lintuperspektiivin” näkymän ympäristöstä, jolloin aluksen reitin suunnittelu on havainnollista.

Maali-ilmaisun haittana on alati muuttuva toimintaympäristö:

• Vedenpinnan aiheuttama aaltovälke (seaclutter) on vaikea poistaa luotettavasti, ja siten heikon tutkakaiun omaava maali saattaa kadota aaltovälkkeen joukkoon. Asian hoitamiseksi on oltava joitakin keinoja, ja niitä on osattava käyttää:
  • Aaltovälkkeenvaimennin (Anti Clutter Sea) on säädin, jolla vaimennetaan aalloista tulevia kaikuja. Se vaimentaa myös hyötymaaleja.
  • Lähivaimennin (SWG l. Swept Gain, tai STC l. Sensitivity Gain Control) säätää kaikkien maalien voimakkuutta, mutta eksponentiaalisesti lähimpiä eniten, koska ne ovat voimakkaimpia.

• Sadevälke (rainclutter) on myös muuttuva haittailmiö, jonka luotettava hallinta asettaa vaatimuksia sekä laitteille että käyttäjille. Asiaa voidaan auttaa joillakin säädöillä, mutta laitteeseen rakennetut ominaisuudet ovat avainasemassa:
  • Sadevälkkeenvaimennin (Anti Clutter Rain, Differentiator, Fast Time Constant l. FTC) on derivaattoripiiri, joka lyhentää kaikupulsseja takareunastaan alkaen, koska sademaalit ovat laajoja.
  • Kiertopolarisaattori on yleensä antenniin kiinteästi rakennettu. Se vähentää sateesta tulevia kaikuja paljon, mutta hyötymaaleja vain hyvin vähän.
  • Logaritminen vastaanotin on yleensä vakiona, mutta joissakin laitteissa on lisäksi lineaarinen vastaanotin. Edellistä käytetään sateella, koska se vahvistaa heikkoja maaleja paljon ja voimakkaita vain vähän. Jälkimmäistä käytetään hyvällä tutkasäällä, koska sillä on pienempi $S_{min}$, joka tutkayhtälön mukaisesti tuottaa suuremman kantaman.

• Jäätutka (Iceradar) on toisinaan lisälaitteena mernkulkututkassa, koska jääalueella aluksen on etsittävä edullisin kulkureitti jään paksuuden mukaan. Se on lisälaite, joka käyttää merenkulkututkan tutkavideota ja prosessoi siitä kuvan jääkentästä. Jotta se voidaan tehdä täytyy käyttää lyhyttä lähetyspulssin pituutta ja suurta toistotaajuutta. Prosessointi tarvitsee useita antennikierroksia, jotta saadaan heikoista kaikusignaaleista integroitua tarpeeksi vahva kaiku. Alus liikkuu koko ajan, joten liike on otettava huomioon integroinnissa. Siksi tehtävään pitää olla erillinen prosessori algoritmeineen.

• Öljytutka (Oilradar) on jäätutkan tavoin lisälaite merenkulkututkassa. Sitä tarvitaan sellaisissa aluksissa, jotka etsivät merestä öljypäästöjä. Jäätutkan tavoin se toimii integroimalla useiden antennikierrosten ajalta merenkulkututkan omaa tutkatietoa. Toisin kuin jäätutka, joka mittaa jääkentän rosoisuutta, öljytutka mittaa vedenpinnan sileyttä, jonka öljy aiheuttaa. Signaalin ero normaaliin merivälkkeeseen on mitättömän pieni ja siksi on tehtävä erikoisprosessorilla ja sen algorimilla integrointiprosessi, jotta heikko signaali saadaan riittämään.

Laitteet toimivat radioaalloilla mikroaaltoalueen S-alueella (3 GHz) ja X-alueella (9 GHz). S-alueesta on hyötyä valtamerillä pitemmän mittausetäisyyden ja vähäisemmän sadevälkkeen ansiosta. X-alue antaa lähiympäristöstä tarkemman kuvan hyvällä resoluutiolla ja ilmaisee myös pienet kohteet.

Laitteisto

Merenkulkututkan pääosat ovat

• lähetin-/vastaanotinyksikkö (Tx/Rx unit)
• antenniyksikkö (Array- and base unit)
• näyttöyksikkö (Indicator unit)
• käyttötehon syöttöosa (Power unit)

Pienemmissä venetutkissa on usein yhdistettynä lähetin/vastaanotin ja antenni samaan kokonaisuuteen, minkä ansiosta pystytään muun muassa minimoimaan mikroaaltolinjan (tehonsiirtoväylä) pituus.

Lähetin-/vastaanotinyksikkö (Tx/Rx unit)

Lähettimen mikroaaltotehon syöttökomponenttina on käytetty alusta asti magnetronia, joka tuottaa pulssitettua suurtaajuista värähtelyä (pulssitutka). Lähettimen huipputeho voi olla 3–60 kW. Vastaanotin ilmaisee maalit (kaikusignaali), jotka sitten – usein monimutkaisen digitaalisen prosessoinnin tuloksena – esitetään näyttöyksikkössä.

Nykyään merenkulkututkan toiminta voi perustua myös moduloituun kantoaalto- CW-tekniikkaan. Moduloitu jatkuva-aaltoinen tutka on tunnettu jo pitkään, ja se on ollut käytössä jo vuosia sotilassovelluksissa matalan lähetystehonsa ja helposti kätkettävän lähetteensä takia. Tämän vuoksi sitä sanotaan myös kuiskaavaksi tutkaksi. Nykyään se on saatavana myös kaupallisesti. Jos taajuusmodulaatio, vaihemodulaatio tai jokin muu sopiva modulointitapa kattaa hyvin suuren osan käytettävästä taajuusalueesta, näin toimivasta tutkasta käytetään nimeä leveäkaistatutka (Broadband Radar), eli BB-tutka. Sen etuja ovat muun muassa hyvä resoluutio ja selvä kuva, pieni lähetysteho (tyypillisesti 100 mW) ja siksi vähäinen (matkapuhelimen suuruinen) säteilyhaitta ja pieni tehonkulutus sekä puolijohdelähettimen viiveetön käynnistys (magnetron vaatii yleensä 3 minuutin esilämmityksen). BB-tutkan huono puoli on pulssitutkaa vähäisempi kantama. Se ei ehkä käynnistä RACON, SART tai aktiivisen tutkaheijastimen transponderia. BB-tutka sopii parhaiten pienille aluksille, veneille ja erityisesti purjeveneille.

Antenniyksikkö (Array- and base unit)

Antennikoneisto ja rakosäteilijäantenni. USS Theodore Roosevelt.

Yleisimmin käytössä on rakosäteilijäantenni. Se on aaltoputki, jonka yhdellä sivulla on tarkoin mitoitettuja rakoja rivissä. Ne muodostavat säteilijärivin ja yhteisvaikutukseltaan kapeakeilaisen antennin. Toinen malli on parabolinen peiliantenni, jossa on heijastin ja erillinen säteilijä paraabelin polttopisteessä. Se voi olla dipoli tai, etenkin mikroaalloilla, aaltoputken torvisäteilijä. Antennia pyörittää sähkömoottori vakionopeudella.

Varsinkin rakosäteilijäantenni on usein suojattu radomilla, radioaaltoja läpäisevällä sääsuojuksella. Radomi tekee myös antennin tuulikuorman pienemmäksi. Sadevälkkeen vähentämiseksi radomiin on usein lisätty kiertopolarisaattori – tiheä rivi ohuita metallilankoja – jolla on toisaalta myös pieni vaimentava ominaisuus. Pienimpien venetutkien yhdistetty lähetin/vastaanotin/antenni-rakenne on usein suojattu yhteisellä radomilla niin, että mitään liikkuvia osia ei ole sotkemassa köysiä tai aiheuttamassa tapaturmaa. Mikroaaltoaltistuksen mahdollisuus on silti olemassa, joten aivan antennin lähellä ei pidä oleskella.

Näyttöyksikkö

Nykyään käytetään joko nk. rasterscan-värikuvaputkella varustettuja näyttöjä tai taulutyyppisiä tasonäyttöjä. Yleisimmin niissä esitetään PPI-kuva eli karttakuvanäyttö. Pitkään oli käytössä katodisädekuvaputki; ennen vuotta 1990 rakennetuissa laitteissa on kuvaputkinäyttöjä. Näyttöyksikkö on myös samalla laitteiston ohjausyksikkö. Yksinkertaisimmillaan laite sisältää vain näyttötason kuvalle ja säätimet tutkalle. Useimmiten tutka integroidaan kaikkiin muihin aluksen merenkulkulaitteisiin. Kompassilla saadaan tutkan kuva pysymään pohjoissuunnassa. GPS-laitteella saadaan liitettyä tutkakuvaan merikartta tietokoneesta siten, että oma sijainti näkyy oikein. Samaan näyttölaitteeseen voidaan ehkä liittää myös kaikuluotaimen näyttö. Jos useimmat laitteet voivat toimia yhdessä, vaikka olisivat erimerkkisiäkin, saadaan kustannussäästöjä. Suuremmissa aluksissa komentosiltalaitteiden integraatio on jo vakiojärjestely. Vaikka varustelu olisi vanhempikin, silti näyttöyksikkö on tavallisesti pitkälle kehittynyt ARPA-näyttöyksikkö (Automatic Radar Plotting Aid), joka helpottaa aluksen reitin suunnittelua oleellisesti juuri muiden siihen liitettyjen merenkulkulaitteiden avulla.