Jak se dělá radar — část 1: Anténa

V sérii článků popíšu, jak se dělají meteorologické radiolokátory. Začnu tím, co náhodný kolemjdoucí vidí: anténou.

Úvod

Od jara 2019 pracuji v Meteopressu. Meteopress byl známý spíš jako mediální firma, ale před několika lety se vyměnilo vedení, a začala se dělat spousta zajímavých nových věcí — varování pro pojišťovny, meteostanice, předpověď počasí neuronovými sítěmi, a radary (které se trochu dělaly už před tím, ale nyní se vývoj rozjel naplno). Já jsem se postupně stal „vedoucím HW vývoje” a stavím to a koordinuju externí dodavatele a specialisty na mikrovlny a další témata. V současnosti provozujeme 15 radarů v několika zemích (Česko, Slovensko, Rakousko, Chorvatsko) a dalších 15 provozuje spolupracující maďarská firma Idokep.

Na následujících videích se můžete podívat, jak vypadá to, co vyrábíme — respektive aktuální produkční verze, která už je vlastně zastaralá a na stole už máme něco mnohem lepšího :)

• Velká Rača (Slovensko)
• Medulin (Chorvatsko)
• Zadar (Chorvatsko)
• Reichersberg (Rakousko)

Radar

Meteoradar vyšle nějakým směrem elektromagnetické vlny a poslouchá, co se odrazilo zpět. Změří se, za jak dlouho přišel jak silný odraz, ze známé rychlosti světla se čas přepočítá na vzdálenost, azimut známe (víme, kterým směrem jsme signál vyslali) a na mapu na souřadnice odpovídající danému azimutu a vzdálenosti nakreslíme pixel, jehož barva odpovídá intenzitě přijatého odrazu. Jak přesně tohle udělat budeme řešit ve druhém dílu, pro popis antén toto postačí.

V ČR existují (veřejně dostupné) tři radarové sítě a jeden osamocený radar.

• CZRAD, dva meteorologické radary provozované Českým hydrometeorologickým ústavem. Existuje pěkná reportáž na Rootu. Pokud se někde na webu či v médiích setkáte s „meteoradarem”, téměř určitě se bude jednat o data z této sítě. Veřejně dostupná data mají refresh rate prokládaný 5 a 10 minut.
• Meteopress, tedy ta naše. Na tom webu se zobrazují jenom když prší a meteorolog ve službě vyhodnotí, že data ze sítě jsou dostatečně kvalitní (k tomu, proč se tohle děje, se dostaneme v dalších dílech), jinak je tam fallback na státní radary. Refresh rate 1 minuta.
• Řízení letového provozu (vlevo rozkliknout MetView a přepnout na Meteokanál TAR) provozuje samozřejmě radary na letadla, ale radar jako radar, a tak jako nám do radarů prosakují letadla, jim do radarů prosakuje počasí. Nicméně jejich radary nejsou na meteorologii optimalizované, takže toho často moc nevidí. Nicméně se to může hodit v létě na bouřky jako alternativní zdroj s minutovým refresh rate.
• Meteoradar Zlínského kraje. Osamocený radar někde u Zlína. Refresh rate 5 minut.

Anténa

Elektromagnetické vlny, které vysíláme a přijímáme, potřebujeme koncentrovat do malého objemu (resp. do malého prostorového úhlu), a to hned ze dvou důvodů:

• Tento úhel nám přímo říká, jaké bude úhlové rozlišení našeho radaru — jak přesně dokážeme určit azimut (příp. elevaci) cíle. Například pokud je svazek kužel o vrcholovém úhlu 2°, tak ve vzdálenosti 100 km je to už 100*sin(2°) = 3.5 km. Taky se na to můžeme dívat informaticky, že svazek o šířce 2° nám dokáže nabrat za otáčku (360°) obrázek, který má 180 pixelů, což nevypadá jako mnoho. Ve skutečnosti svazek není ostrý kužel, tohle je worst-case případ a v praxi to dopadne třeba 2x líp. Docela mě překvapilo, že i s takovým rozlišením to vypadá relativně v pohodě. Například následující obrázek je pořízen se svazkem širokým 1.9°. V maximální vzdálenosti (125 km) vidíme jistý nedostatek rozlišení kolem obvodu kružnice, ale žádná tragédie.

• Dokážeme vyslat jen omezené množství energie, a čím víc jí nahustíme do co nejmenšího prostoru, tím víc se nám toho vrátí a tedy budeme mít lepší odstup signálu od šumu, resp. uvidíme i slabší cíle (jako kdybychom skenovali krajinu ve tmě, a buď svítili všesměrovou žárovkou, nebo ozařovali směrovým reflektorem). Obdobně na straně příjmu signálu znamená užší svazek menší kus prostředí, ze kterého můžeme přijímat rušení. Ukazuje se, že tohle je (alespoň v našem případě) ten hlavní důvod, proč je potřeba jít do větších antén.

Anténu můžeme popsat vyzařovacím diagramem, což je graf (buď 3D, nebo 2D v řezu, nebo 2D polární), ve kterém je zakreslen „blob”, a čím je blob víc od prostředka, tím víc v daném směru anténa vyzařuje. Když se kreslí 2D, tak se většinou kreslí ve vodorovné a svislé rovině, protože to nebývá rotačně symetrické.

Ideální anténa by ozářila přesně ten prostor co chceme se 100% intenzitou a nic okolo. To není nutně kužel, například letecké radary potřebují skenovat prostor ve tvaru válce a jejich charakteristika tak typicky vypadá nějak takhle

a celé se to otáčí kolem levého okraje, takže výsledkem je rotační donutoid a bezprostředně nad sebe to nevidí. Nicméně meteoradar se typicky provozuje tak, že olizujete paprskem prostor úplně těsně nad horizontem, protože prší nízko nad zemí a chcete dohlédnout daleko, a preferovaným tvarem tak je kužel.

Z tohoto obrázku také vidíme, že anténa není nikdy ideální, a kromě hlavního svazku má i různé postranní laloky (sidelobes) a vyzařování dozadu. Postranní laloky jsou nepříjemné, protože když koukáte těsně nad horizont, tak postranní lalok pod hlavním svazkem míří nepatrně k zemi, a ačkoli bývá utlumen řádově o 20 dB (a protože signál jde tam a zpět tak je celkový útlum 40 dB), tak některé věci na zemi jsou tak strašně intenzivní, že vám malé vzdušné cíle přeplácnou a vy je tak nevidíte. Obzvláště hrozná jsou v tomto města, protože spousta pravoúhlých budov tvoří koutové odražeče, mají plechové střechy, pokovená okna a vůbec.

Fázové pole

Teď je potřeba vědět, jak funguje fázové pole.

Pokud si představíme, že máme v řadě několik antén, z nichž každá vysílá (polo)kulovou vlnoplochu, a můžeme nastavit fázi, s jakou to vysílají, je možné zařídit, aby se vlivem vzájemné interference tyto jednotlivé vlnoplochy sečetly tak, že to v jednom směru bude vysílat velkou vlnu a v ostatních směrech se to sečte skoro na nulu. Tohle tedy funguje jako směrová anténa, a pokud můžeme fázi v reálném čase měnit, můžeme tím měnit ten směr, kterým to vysílá. Tohle měnění směru za běhu se ale v meteoradarech nepoužívá, protože je příliš složité a existují jednodušší způsoby.

Vlnovod

Ještě musím říct, že v radarech se často nevede signál pomocí koaxiálních kabelů, ale pomocí vlnovodu, což je kovová trubka, kterou se elektromagnetické vlny šíří. Je to jako kdybyste místo do provázkového telefonu mluvili do roury od kamen. Má to některé výhody, ke kterým se ještě dostaneme, například to zvládne přenést větší výkon a má to menší ztráty na vysokých frekvencích. A nyní se konečně dostáváme k první anténě.

Nejjednodušší anténa, kterou si můžete pořídit, je několik metrů dlouhý vlnovod, do kterého někdo nařezal díry tak, aby z něj leakovaly rádiové vlny, a to ve správných vzdálenostech, a tvořilo to tak fázové pole podle obrázku výše.

S dírama samozřejmě už pak nejde hejbat, takže to vyzařuje pevně jedním směrem (i.e., před sebe), a aby to skenovalo, tak se s tím musí točit.

Velká výhoda této věci je jednoduchá instalace. Na tom obrázku výše je kompletní radar. Tyčka je aerodynamická, takže na to nepůsobí moc velké síly ve větru, a je to jak vidíte: přiveze se anténa, skener, podstavec a pár dlaždic a prostě se to složí a unese to kdejaká střecha.

Nevýhoda ale je, že se to moc nehodí na meteorologické účely. V horizontálním směru má anténa šířku svazku asi 1.5°, což je v pohodě, ale problém je s vertikálním. Tím, jak se fázování dělá jenom v horizontálním směru, to vertikálně svítí asi 22° (což si mimochodem můžete zjistit na fccid.io, což je úžasný zdroj na zkoumání trhu). Tyhle antény se používají na lodních radarech, kde to je dobře — loď se na vlnách naklání, a nemůžete si dovolit ztratit obraz, když vám to zrovna nesvítí přesně vodorovně. Tady to ale znamená, že polovinu energie hned vysvítíte do země (ta půlka svazku co míří k zemi), čímž ještě navíc osvítíte pozemní cíle a máte tak na displeji bordel, a z té druhé poloviny se většina velmi rychle dostane nad mraky (e.g. 10° nahoru je ve vzdálenosti 50 km 9 km nad zemí, což už je výška, do které zasahují jenom velké bouřky), takže jenom nějakých 10% energie (odpovídá 2° řezu z toho paprsku) využijete účelně. Tenhle konkrétní radar jsme měli v Olomouci a rozumně to chodilo tak někam před Brno, takže tak 50–60 km.

Parabolická anténa

Z tohoto důvodu v podstatě všechny radary používají parabolickou anténu, kterou asi znáte z příjmu satelitní televize. Bohužel to není tak jednoduché, že člověk dojde do Alzy a koupí parabolu na televizi a postaví z toho radar. Paraboly na televizi jsou offsetové, čili zářič je tak jakoby bokem dole, což je super, protože nestíní a může být na pevné kolejnici za kterou to drží a tak, ale prej to má hodně nepříjemný spodní postranní lalok, takže to přesně nechceme.

Někteří nadšenci to řeší instalací koše absorpční pěny, která to snad nějak požere, ale my jsme to stejně nakonec nějak nedělali, protože tyhle antény stejně většinou končí tak kolem 1.2–1.8 metru a my teď chceme větší.

V těchto aplikacích se všude používají prime focus antény, tj. normální symetrický paraboloid.

To se dá koupit na internetu, teda alespoň do průměru tak 1.8 metru (ta na fotce má 1.2m, což jsme instalovali do léta 2020, a teď už umíme 1.8 a chceme jít ještě mnohem výš), pak zjistíte, že to sice firmy mají v nabídce, ale ve skutečnosti to nemají skladem a musí to pro vás extra vyrobit, což se jim zase nechce když chcete jeden kus.

K tomuhle potřebujete primary feed, což je ta trubka uprostřed, a především ten plastový bazmek na jejím konci, který je vidět na těch videích na začátku.

Ten slouží několika věcem:

• Impedanční přizpůsobení. Vlny se šíří tou kulatou trubkou (vlnovodem) a když to jen tak necháte čnít do prostoru, tak se jim ven nechce. Je to jako když jdou zvukové vlny vaší trubkou a přechodu do prostoru pomůžete, když si dáte ruce kolem úst. Nebo když máte tlampač.

• Nese to zrcátko (kovovou vrstvu), od které se vlny odráží a osvěcují tu parabolu. Takže vlny jdou trubkou, odrazí se od toho malého zrcátka, odrazí se od paraboly a odrazí se do prostoru.
• Jeho speciální tvarování dělá, aby parabola byla u okrajů nasvícena méně. To zní divně — člověk by čekal, že ji budeme chtít nasvítit rovnoměrně. Jenže ono to funguje tak, že vlivem fyzikálního jevu, jehož vysvětlení jsem už úspěšně zapomněl, vyzařovací charakteristika antény vypadá tak, že vezmete výkonovou hustotu osvícení apertury (i.e., té paraboly) a zfourierujete ji. Pokud tedy máte parabolu nasvícenou rovnoměrně, tak výsledek vypadá jako fourierka obdélníku a výsledek má ostrý peak (a tedy velký zisk a úzký úhel), ale velké postranní laloky. A tím utlumeným osvícením se vlastně snažíte aplikovat okno.
• První verze naší paraboly vypadala tak, že někdo vystříhal kolečko z absorpční hmoty, nalepil ho na strategické místo na parabole a prohlásil, že tohle jako dělá okýnko. Pak ale vyrobili tenhle tvarovaný bazmek, který toho dosahuje tím, že v tom tvaru dochází k nějaké interferenci a jak se to různě sečte a odečte, tak výsledkem je ten tvarovaný svazek.

Tohle vypadá jako strašná magie (a taky je), tak jen pár slov k tomu jak se tohle jako stane. Klíčem je sehnat člověka, co umí provozovat výpočetní elektrodynamiku a zejména umí babysittovat FDTD solver. Pak se udělá 3D model vlnovodu, toho plastu a paraboly, rozdělí se to na malé kostičky, ve vlnovodu se vybudí elektromagnetické pole a pak se simuluje (doslova po pikosekundách, metodou konečných prvků) jak se toto pole šíří modelem, interaguje atd. Výsledkem je pak pole vyzářené do prostoru, z čehož se spočítá vyzařovací diagram. Kouzelník se na to pak podívá, upraví tvar plastu, a zkusí to znova. Případně se pustí evoluční algoritmus, který ten tvar různě upravuje, vyhodnotí, a zase upravuje. Potom tři dny někde hučí cluster a pak z toho vypadne tvar, který někdo vysoustruží z plastové tyčky, pokoví, zasune se do trubky a je z toho zářič.

Když se tohle všechno podaří, tak pak ten stejný radar chodí tak na 80–100 km s 1.2m parabolou a 120–150 km s 1.8m.

Radom

Jenže pokud jste se podívali na videa v úvodu, tak víte, že takhle přesně ten radar nevypadá. Problém s parabolou je, že na rozdíl od tyčky to je úžasná plachta, takže když byste to jen tak nechali venku, tak vám to vítr ulomí, nebo s tím alespoň neutočíte. Navíc to namokne, v zimě se na tom udělá námraza a vůbec je to velký špatný. Občas se tohle řeší tím, že se parabola neudělá z plechu, ale z pletiva (síto) a vítr tak profukuje skrz. Aby tohle fungovalo, tak oka v sítu musí být menší než 1/10 vlnové délky, pak se to chová jako jednolitá plocha. Tohle tak funguje na leteckých radarech, které mají vlnovou délku třeba 18 cm, a pletivo na kralyky s okem 1.8 cm je tak v pohodě. Ale my máme vlnovou délku 3 cm (více o vlnových délkách příště) a síťka s 3mm okem už je neprakticky jemná.

Tohle se řeší tak, že se kolem antény postaví bublina, radom. Ten plní několik funkcí:

• Díky oblému tvaru může vítr obtékat za vyvinutí menší síly (nižší aerodynamický odpor).
• Chrání elektroniku radaru před větrem, deštěm, sněhem, vlhkem a vůbec.

Radom samozřejmě musí být pro rádiové vlny průhledný. Pro začátek v žádném případě nesmí být vodivý.

Takže okamžitě s pořízením paraboly jsme museli řešit radom. První verze radomu byla, že jsme vzali plastovou desku 2x6 metrů, srolovali jsme ji do ruličky a nahoru jsme nasadili dekl.

Tím se samozřejmě zařízení dost zvětšilo a instalace zkomplikovala, už to má tento montovaný podstavec, pak někde na střeše sestavujete dvoumetrovou ruličku a tak, ale s tím se nedá asi nic dělat. Tlustá pevná plastová deska ale není úplně ono, má to nějaký útlum. Proto přišla druhá verze, kdy jsme si nechali z LDPE vyfouknout kraslici. LDPE má nižší útlum a navíc nám zase nějaký šaman poradil, že když stěna bude nějak tlustá, tak se ty vlny nějak správně složí a bude to fungovat dobře.

Výsledky jsou dobré, ale zase to znamená manipulovat s těžkou (tři lidi nebo ideálně jeřáb, na střechu určitě jeřáb) bublinou z jednoho kusu, která se nevejde do dodávky a musí se vozit na velkém přívěsu nebo v náklaďáku, a navíc ji výrobce už nedokáže vyfouknout větší (a pak by stejně nešla přepravit), takže to nejde udělat na 1.8m anténu.

Dále lidi staví nafukovací radomy, což je pytel a uvnitř se kompresorem dělá přetlak. To jsme zatím zavrhli, jednak protože mechanické komponenty jako kompresor jsou nekonečné utrpení (že solid state je Dobro si vysvětlíme příště), jednak protože to ve větru bimbá a opakovaným namáháním se to za rok v místě přidělání utrhne.

Dále lidi dělají metal space frame radome, což se dělá tak, že se z kovových profilů udělá geodetická kopule a mezery se vyplní igelitem nebo dlaždičkama, které už můžou být tenké, protože nemají nosnou funkci. Problém je, že se to musí vymyslet tak, aby ty vodivé profily radaru nevadily, což se jednak dělá jejich geometrií, a jednak se před ně vkládají malinké anténky, které zase dělají nějakou magii. S tím nám žádný z našich šamanů nedokázal pomoct, a tak jsme to zatím taky nedělali.

Poslední možnost je samonosná sendvičová konstrukce z laminátu. Myšlenka je taková, že tenoučká vrstva má malý vliv. Jenže jedna vrstva laminátu nemá žádnou pevnost. Ale když se dají dvě kus od sebe a oddělí se pěnou (která dělá mechanický spacing, trošku strukturní pevnost, a tím, jak má minimální hustotu, tak pro rádiové vlny jako kdyby neexistovala), tak už to drží dobře. A šaman nám poradil, že mají být nějakou vzdálenost od sebe a pak to bude dobré.

Tak jsme rozsegmentovali kouli na pětiúhelníky a nejlepšíúhelníky a nechali to vylaminovat s tím, že to má rantl, za kterej se to sešroubuje, a teď se řeší, jestli šroubky radaru vadí nebo ne (funguje to skvěle, ale nemáme samozřejmě srovnání bez šroubků, takže možná by to mohlo fungovat ještě o kousek líp).

Výsledek se naskládá do auta a dá se na střechu vytahat rukama a sestavit na místě, takže není potřeba jeřáb, což je super, protože někdy máme instalaci uprostřed velké střechy, kam jeřáb nedosáhne, a někdy je to v zástavbě, kde je máchání s jeřábem obtížné.

Rotační spojky

Poslední problém, který je potřeba vyřešit, je, že ta anténa se točí a jak k ní jako připojit ze země kabely. K tomu se dají použít následující tři hardwarové přípravky:

• Rotační spojka vlnovodu slouží pro spojení kulaté trubky. Jsou to dvě trubky na sobě/v sobě, jedna stojí a jedna rotuje. Tím přeneseme mikrovlny.
• Polohu nahoru a dolu lze přenést kuličkovým ložiskem, kdy vnitřní část se točí spolu s anténou, a vnější část je na platformě, která může jezdit nahoru a dolu (jako osa Z u 3D tiskárny). Na vnitřní točící se části je pak táhlo, které svým pohybem nahoru a dolu tahá za anténu a tím ji naklápí. Tím se dělá nastavování elevace.
• A poslední, elektřina se přenáší pomocí slipringu, což jsou kartáčky/pružinky volně se odvalující po kulatých kontaktech. Ty mají bohužel tendenci se různě zanášet, jiskřit a tak.

U našich aktuálních radarů se nám podařilo dosáhnout toho, že rotující část je plně pasivní, neobsahuje žádnou elektroniku. Naopak u radaru, který teď vyvíjíme, se pro změnu točí úplně všechno (vysílač, počítač…) a slipringem se tam přivádí jen napájení (a ethernet, i když v prototypu byla na rotující části wifi).

Originally published at https://www.abclinuxu.cz.