RADAR’lar, X-Band ve S-Band, Gemide Hangisi Zorunlu?

Bu yazımda RADAR’lar üzerine teknik olarak konuşacağım. RADAR (Radio Detection and Ranging Device) elektromanyetik dalganın nüfuz ve yansıma prensibine dayalı, gemi ve uçakların gerçek zamanlı konumunun saptanması için sıklıkla kullanılan bir cihazdır. Başlıktaki sorunun cevabını almak için aşağı inebilirsiniz, ben tarih ile başlıyorum.

RADAR’ların Tarihi

Saniyede bir frekans birimine adını veren Heinrich Hertz’in 19. yüzyılın sonunda yaptığı deneyler ile radyo dalgalarının metal objelerden yansıdığı keşfedilmiştir. Elektromanyetiğin babası olarak bilinen James Clerk Maxwell ise, elektromanyetizma üzerine yazdığı yazılarda bunun mümkün olduğunu daha önceden ileri sürmüştü ancak 20. yüzyılın başlarına kadar bu prensipler uygulamaya koymaya pek müsait değildi. Tam bu yıllarda Alman girişimci Christian Hülsmeyer gemilerin yoğun siste çatışmasını önlemek için basit bir gemi RADAR’ı icat etti. Bunu takip eden 20 yıl içinde nesnelerin tespit edilmesine yönetllik birçok benzer sistem geliştirildi.

Kısa atım (pulse) oluşturabilen sistemlerin gelişmesi ve osiloskop (salınımölçer) ile bu atımların zamanlamasının yapılması cismin uzaklığının tespit edilebilmesini sağladı. Aynı zamanda antenin yön bilgisi kullanılark cismin yönü tayin edilebiliyordu.

RADAR teknolojisi giderek kritik ve stratejik bir öneme sahip oluyordu. 1934-1938 yıllarında Birleşik Krallık, Almanya, Birleşik Devletler, Sovyetler, Japonya, Hollanda, Fransa ve İtalya kendi bağımsız RADAR teknolojilerini geliştirdiler. Birleşik Krallık elindeki teknolojisi Birleşik Devletler, Kanada, Yeni Zelanda ve Güney Afrika ile paylaştı ve bu ülkeler de kendi sistemlerini geliştirdi. RADAR terimi ilk defa Birleşik Devletler’in savaşta iletişiminden sorumlu olan Birleşik Devletler Sinyal Birliği tarafından tahsis edildi. Benzer zamanlarda bu teknoloji Birleşik Krallık’ta RDF (Radio Direction Finder) olarak tanımlanıyordu.

İkinci Dünya Savaşı ve Soğuk Savaş döneminde çeşitli RADAR’lar geliştirildi; günümüzde de geliştirilmeye devam ediyor. Bunların en kompleks ve büyük olanları kıtalararası balistik füzeleri tanımlayabilecek savunma sistemlerine ait.

Modern Deniz RADAR’ları

Köprüüstünün olmazsa olmazı olan RADAR’lar çevredeki gemilerin ve kara parçalarının gerçek zamanlı, gemimize göre konumunu gösterir. Bu temel işlevinin yanında, herhangi bir gemi veya nesneden kerteriz ve/veya mesafe alınmasında kullanılabilir. ARPA RADAR (Automatic Radar Plotting Aid) dediğimiz gelişmiş versiyonu ile bir bilgisayar yardımıyla çevredeki gemileri izleyebilir, çatışma tehlikelerini bildirebilir ve radar ekranında deneme manevrası yapmaya imkan sunar. Şidmi biraz teknik detaylara inelim.

Çalışma Prensibi

1 saniye 1.000.000 mikrosaniyeden oluşur. Radyo dalgası 1 mikrosaniyede 300 metre yol alır. Dalganın antenden çıkışı (atım) ile yansıyıp geri gelişi (eko) arasındaki zaman ölçülerek cismin bize olan uzaklığı tespit edilir. Örneğin, bir atım 30 mikrosaniye sonra eko olarak döndüyse 30*300 = 9.000 metre yol almıştır. Dalga bir defa gidip, bir defa da geldiği için 9.000’i 2’ye böleriz ve aramızdaki mesafeyi 4.500 metre olarak buluruz. Cismin yönü ise antenin açısı ile tespit edilir.

Eş zamanlayıcıda 1 saniyede RADAR’ın dizaynına bağlı olarak pals (atım) üretilir. Üretilen bu palslar modülatöre ve sinyal işleyiciye gönderilir. Modülatör gelen palsı modülasyon palsına çevirir. Modülasyon düşük güçlü yüksek frekanslı bir bilgi sinyalidir ve atımın uzak mesafelere iletilmesi için şekillendirildiği yerdir. Aktarıcı kendine gelen modülasyon palsını alıcı-verici (T/R) üzerinden antene iletir. Gönderme sırasında T (transmitter-verici) kapısı açıktır.

Sinyal işleyici kendine gelen palsları ekranda görülebilecek bir voltaja çevirir. Bu voltaj sayesinde ekranın merkezinden çıkan parlak benekler ekranın çevre sınırına doğru hareket eder. Bu benekler çok sayıda ve hızlı olduğu için ekranda çizgi olarak görülür, ki bu çizgiye süpürme çizgisi denir.

Antenin baktığı yöndeki pals ile ekrandaki süpürme çizgisi aynı yöndedir. Antenden çıkan pals bir engelle karşılaşınca eko olarak geri gelir ve alıcı/vericiden girerek alıcıya ulaşır. Bu sırada R (receiver-alıcı) kapısı açıktır ve gelen eko ekranda görülür.

RADAR Frekansı

Bir RADAR’ın frekans bandı kullanılan alana göre değişir. Örneğin hava durumu radarları 5.2-5.9 GHz ve 8.5-11 GHz bandını kullanır. Ticaret gemilerinde ise Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (ITU) tarafından belirlenen 2 farklı frekans kullanılır: X-Band ve S-Band. X-band frekans aralığı 8.000-12.000 MHz (~9 GHz) olup dalga boyu 3 cm’dir; S-Band frekans aralığı ise 2.000-4.000 MHz (~3 GHz) olup dalga boyu 10 cm’dir. Peki herhangi bir RADAR’da hangi frekansın kullanılacağına nasıl karar verilir? Bu durum fiziksel boyut, iletim gücü, antenin ışın genişliği atmosferik zayıflatıcı etkilere göre değişir.

Fiziksel Boyut

Radyo dalgası üretmek ve iletmek için kullanılan donanımın boyutları genel olarak dalga boyuyla orantılıdır. Dalgaboylarının daha uzun olduğu daha düşük frekanslarda, donanım genellikle büyük ve ağırdır. Dalga boylarının daha kısa olduğu daha yüksek frekanslarda, radarlar daha küçük dizayn edilir ve buna bağlı olarak daha az ağırlıkla daha sınırlı alanlarda çalışabilir.

Gemilerde, S-Band RADAR’ların dalga boyu daha büyük olduğu için anten boyutu daha büyük, X-Band RADAR’ların dalga boyu daha küçük olduğu için anten boyutu daha küçüktür.

İletim Gücü

Bir RADAR vericisinin limitleri dahlindeki güç seviyesi, büyük ölçüde voltaj gradyanı ve ısı yayma durumu ile sınırlıdır. Metre boyutundaki dalga boylarındaki RADAR’lar Megawatt gücünde çıkış verebilirken milimetre dalga boylarındaki RADAR’lar Miliwatt gücünde çıkış verebilir.

ITU tarafından yapılan düzenlemelerde deniz RADAR’larının çıkış gücüne tıpkı telsiz antenlerinde olduğu gibi belli bir sınır konulmuştur. Aşağıdaki tabloya göre ticaret gemilerinde IMO (International Maritime Organization) ve ITU’nun koyduğu sınırlamalara göre maksimum radar çıkış gücü 75 kW’dır. Örnek olarak vermem gerekirse, Furuno markasının XN24AF 3 GHz modeline ait çıkış gücü 12 kW’dır.

Radar Kategorisi	Sınır Güç (kW)
IMO (Ticaret Gemileri) ve Balıkçılık	≤ 75
Nehir (İç Sular)	< 10
Gezi Tekneleri	< 5

Işın Genişliği

RADAR ışınının genişliği, antenden çıkan elektromanyetik dalgaların ekranda iyi bir şekilde görünmesi için önemlidir. Işın ne kadar dar olursa, herhangi bir zamanda belirli bir yönde yoğunlaşan güç o kadar büyük ve çözünürlük o kadar ince olur. Işının genişliği, dalga boyunun antenin genişliğine oranıyla doğru orantılıdır. Düşük frekanslarda dar ışınlar elde etmek için genellikle büyük antenler kullanılmalıdır. Daha yüksek frekanslarda küçük antenler yeterli olacaktır.

Teknik konuşmayı bir kenara bırakırsam, ışın genişliği çözünürlük demektir. Bunu ekranlarımızın çözünürlüğünü düşünerek kavrayabilirsiniz. Pikseller ne kadar küçük olursa çözünürlük o kadar artar ve biz bir resimde veya videoda daha fazla detay görürüz.

RADAR ışınının yeryüzüne paralel doğrultudaki açısal genişliği “yatay ışın genişliği” olarak adlandırılır ve RADAR bandına göre değişen değerler almaktadır. ITU ve IMO’ya göre 0.75° ile 4° arasında değişir. Yeryüzüne düşey doğrultudaki açısal genişliği ise “düşey ışın genişliği” olarak adlandırılır ve 20°-30° arasında değer alır.

X-Band RADAR’ların ışın genişliği daha dar olduğu için ekrandaki çözünürlük daha yüksektir, gemiler ve kara parçaları daha net gözükür. S-Band RADAR’larda ise çözünürlük daha düşüktür, küçük teknelerin ve kara parçalarının algılanmasında zaman zaman sorun yaşanabilir.

Atmosferik Etkiler

Atmosferde ilerleyen radyo dalgaları temel olarak oksijen ve su buharı tarafından soğurulur ve/veya savrulur. Saçılma etkisi neredeyse tamamen hidrometeorlardan dolayıdır. Frekans arttıkça bu soğrulma se saçılma etkisi artar. Yaklaşık 100 MHz’in altında atmosferik zayıflama etkileri ihmal edilebilir ancak 10 GHz’in üzerinde giderek daha önemli hale gelir.

Bu sebepten X-Band RADAR ekranlarında yağmur ve deniz kaynaklı parazit S-Band RADAR’lardan daha fazladır. Ayrıca bu atmosferik etkiler ekoların bir daha geri gelmemesine veya farklı bir yönden gelmesine sebep olarak sahte eko dediğimiz RADAR hatalarına sebep olur. Her zabitin farkında olması gereken bu atmosferik koşulları da başka bir yazımda paylaşacağım.

---

Fiziksel boyutlar, iletim gücü, ışın genişliği ve daha birçok değer IMO ve ITU tarafından belirlenmiştir ve Furuno gibi üreticiler bu değerler arasında üretim yaparlar. Onlarca değer arasında bir diğer önemli değerimiz ise atım tekrarlama frekansıdır (PRF).

Atım Tekrarlama Frekansı (Pulse Repetition Frequency)

Bir saniyedeki atım sayısına eşittir. Seyir radarlarında PRF 500-4.000 arasında değişir. Birbirini izleyen iki atım arasındaki süreye ise dinlenme süresi adı verilir, başka bir deyişle R kapısının açık olduğu süredir. Uzak mesafelerde dalganın gelmesi daha uzun süreceğinden dinlenme süresi fazla, yakın mesafelerde ise azdır. IMO alt sınır olarak saniyede 500 dalga atılmasını şart koşmuştur. Düşük PRF sayılarında dinlenme süresi kısadır çünkü beklenecek daha az dalga vardır. Uzaktaki hedeflerden eko alınmak isteniyorsa PRF azaltılmalıdır. Böylece dinlenme süresi uzun olacağından ekoların gelmesi için yeterli zaman beklenmiş olur.

Eğer dikkat ettiyseniz S-Band RADAR’lar X-Band RADAR’lardan daha yavaş döner. Bunun sebebi radyo dalgalarının daha uzak mesafelerden dönmesi için antenin aynı açıda daha fazla beklemesidir. Bunun aksine, X-Band RADAR’lar daha az dinlenir, daha az bekler ve daha hızlı döner.

Peki Hangi RADAR’ı Kullanmalıyız?

Genellikle seyir sırasında bir RADAR X-Band, diğeri ise S-Band’da çalışacak şekilde ayarlanır. Eğer uzak mesafelerdeki hedefleri saptamak istiyorsak S-Band kullanmalıyız çünkü daha uzun dalga boyu (diğer deyişle daha düşük enerji) daha uzak mesafelere ulaşır. Ancak bu ulaşan radyo dalgalarının ışın genişliği X-Band dalgalarından daha geniştir dolayısıyla çözünürlük düşüktür. Eğer kıyısal bir alanda seyir yapıyorsak, birçok ufak tekne ve engel bulunuyorsa daha yüksek çözünürlük istediğimizden X-Band RADAR kullanırız. Ancak bu banddaki radyo dalgalarının dalga boyu kısa olduğu için uzak mesafelere erişemezler. Yağmurlu ve sisli havalarda X-Band dalgalar soğrulma ve savrulma tehlikesi ile karşı karşıya olduğundan S-Band radar tercih edilmelidir. Ayrıca her iki dalga boyu için de birtakım yağmur ve deniz ekosu düzeltmeler mevcuttur. Seyirde bu düzeltmeler RADAR cihazı üzerinde yapılarak ideal, temiz bir görüntü elde edilmeye çalışılır. Peki S-Band ve X-band dalgaları ne kadar uzağa ulaşabilirler?

Erim Mesafesi

Bir RADAR dalgasının ne kadar uzağa ulaşacağını antenin deniz yüzeyinden olan yükseliği ve hedefin deniz yüzeyinden olan yüksekliği belirler. Bu formül aşağıdaki şekildedir:

D = 2.2(√H1 + √H2)
D: RADAR görüş mesafesi (deniz mili)
H1: Verici antenin denizden yüksekliği (metre)
H2: Nesnenin denizden yüksekliği (metre)

Örneğin antenimizin yüksekliğini 16m ve nesnenin yüksekliğini 9 m olarak varsayarsak, görüş hattı yaklaşık 15 deniz mili olacaktır. Ayrıca atmosferin radyo dalgasını yüzeye doğru kırmasından dolayı bu mesafe yaklaşık %6 daha fazladır. Hem X-Band hem de S-Band cismi algılayabilir. Dolayısıyla radyo dalgasının karakteristiğinden önce, anten yüksekliği, atmosfer koşulları ve cismin yüksekliği görüşümüzü etkiler.

Tüm bunların yanında, X-Band ve S-Band’ın PRF değerine göre değişen maksimum sürat ve erim grafiğini aşağıda verdim.

Gemide X-Band Kullanmak Zorunludur

Gemilerde X-Band RADAR’ın devamlı kullanılması zorunludur. Bunun sebebi gemiyi terk eden kazazedelerin kullandığı SART (Search and Rescue Transponder) cihazının çalışma frekansının 9 GHz olmasıdır. Dolayısıyla SART’ın yarattığı radyo dalgaları S-Band RADAR ekranın görünmez ancak X-Band RADAR ekranın görünür. SART hakkında ise ayrı bir yazı yazacağım çünkü bu yazı epey uzun oldu. Yalnız kısaca bahsetmek gerekirse, SART sinyalleri en uzak 8 deniz milinden görülebilir.

RADAR teknolojisi üstüne konuşulabilecek çok geniş bir konudur ve bu cihazların birçok standartı bulunur. Ancak kısaca bu bilgileri bilmenin bir zabitin RADAR’ları daha iyi kavramasını sağlayacağını düşünüyorum. Kullanılan ekipmanlar ne kadar yakından tanınırsa seyir sırasında ortaya çıkan problemler ve soru işaretleri o kadar etkili giderilir.