Den vidunderlige radaren

Bukken og havresekken
Det er Den internasjonale maritime organisasjonen IMO som utarbeider og fastsetter krav til ytelsene for navigasjonsradaren. Denne organisasjonen er sammensatt av representanter fra nasjonale sjøfartsmyndigheter og radarspesialister. Det er radarspesialistene som besitter den faglige kompetansen, og det er derfor disse som i realiteten fastsetter kravene. Og flere av disse radarspesialistene er tilknyttet radarprodusentene, slik at kravene gjerne blir tilpasset hva produsentene mener tjener deres interesser best.
Gjennom flere tiår hadde IMO meget enkle krav til navigasjonsradarens ytelser, og da spesielt hvordan den skulle fungere i dårlig vær. IMOs resolusjon A.477 (XII) av 19. november 1981 hadde følgende krav til rekkevidde:
”The operational requirement under normal propagation condition, when the radar antenna is mounted at a height of 15 meters above sea level, is that the equipment should in the absence of clutter give a clear indication of: .1 - Coastlines ………”
Dette kravet gjorde det enkelt for produsentene å få kvalitetssikret og godkjent nye radarsett, siden testene kunne gjennomføres i pent vær. Kravet ga imidlertid ikke noen sikkerhet for at radarsettene ville fungere i dårlig vær. Disse kravene ble videreført i Resolution MSC.64 (67) da denne ble godkjent 4. desember 1996.
Til tross for de mange radarsettene, med både to og tre radarsett på de fleste handelsfartøyer, økte imidlertid antallet grunnstøtninger og kollisjoner til sjøs. Mange av disse hendelsene skyldtes at radaren ikke virket tilfredsstillende i dårlig vær. Ved revisjonen av IMOs krav til navigasjonsradar i 2002 foreslo derfor flere land, deriblant Norge, at kravene skulle angi at navigasjonsradaren også skal fungere tilfredsstillende i dårlig vær. Det vil si at et nærmere definert mål skal kunne oppdages på en gitt avstand selv ved kraftig nedbør og sterke sjøekko. Radarspesialistene fra radarprodusentene gikk imot dette, og hevdet blant annet at det ikke ville være mulig å kontrollere hvorvidt et radarsett virkelig tilfredsstilte disse kravene. Da de nye kravene i Resolution MSC.192 (79) ble godkjent 6. desember 2004, ble det derfor bare foretatt mindre endringer, og hovedkravet lød fremdeles ”in the absence of clutter”.
“In the absence of clutter, for long range target and shoreline detection, the requirement for the radar system is based on normal conditions, in the absence of sea clutter, precipitation and evaporation duct, with an antenna height of 15 m above sea level.
Based on:
an indication of the target in at least 8 out of 10 scans equivalent; and
a probability of radar detection false alarm of 10-4,
the requirement contained in Table 2 should be met as specified for X-Band and S-Band equipment.
Denne mer spesifikke beskrivelsen av objektene i tabell 2, var imidlertid et viktig skritt mot krav som kan føre til utvikling av en navigasjonsradar som virker best når man har mest bruk for den – i dårlig vær.
Tabell 2 i resolusjonen beskriver på hvilken avstand forskjellige objekter skal kunne oppdages, og inneholder både beskrivelse og radartverrsnitt for de forskjellige objektene. For til en viss grad å imøtekomme kravene om oppdagelsessannsynlighet i dårlig vær, ble det også inntatt egne krav om at håndbøkene skal beskrive hvilken effekt lett regn (4 mm/time) og kraftig regn (16 mm/time), bølger ved sjø 2 og sjø 5, samt kombinasjoner av disse, vil ha for radarens sannsynlighet for oppdagelse på forskjellige avstander og ved forskjellige hastigheter. Oppdagelsesavstander og ytelsene ved de forskjellige værforholdene skal testes og vurderes ved bruk av et nærmere definert måleobjekt.
IMOs krav er således blitt mer ytelsesrettet, og de tekniske kravene ikke lenger så detaljerte. Det har åpnet mulighetene for at nye radarteknologier kan bli tatt i bruk for navigasjonsradaren. Foreløpig er det tre nye teknologier som har vist seg brukbare, nemlig frekvensmodulert CW-radar, frekvensvariasjon og polarisasjonsvariasjon. Bruken av enkelte teknologier kan imidlertid hindre at radaren aktiviserer eller hindrer oppdagelse av radarfyr (RACON – Radar Beacon), radar nødtranspondere (SART – Search and Rescue Transponder) og aktive reflektorer (RTE – Radar Target Enhancer). IMO krever derfor at slike funksjoner, og polarisasjonsmoder, skal kunne slås av, og at status for disse blir indikert.
Frekvensmodulert CW-radar
Frequency Modulated Continuous Wave-radar (FMCW) er egentlig ikke noen ny teknologi. Det nye er at denne teknologien blir tatt i bruk for navigasjonsradar. Allerede i 1920-årene ble FMCW-teknologien benyttet til høydemålinger i atmosfæren, og i 1930-årene også som høydemåler i fly.
Tidlig i 1980-årene startet så Philips Research Laboratories i Storbritannia (PRL UK) utvikling og testing av en FMCW-radar for bruk på marinefartøyer. Fordelen med denne teknologien var at radaren sendte ut en kontinuerlig bærebølge (Continuous Wave) i stedet for korte pulser, slik at toppeffekten kunne reduseres fra noen titalls kilowatt til under en watt. Derved ble det vanskeligere for fienden å oppdage og lokalisere radarutsendelsene.
Etter noen år med prøver og forsøk, ble det i midten av 1980-årene utviklet en prototype i samarbeid mellom PRL UK, Philips Elektronikindustrier AB (PEAB) i Sverige, og det nederlandske Philipsselskapet Hollandse Signaalapparaten (Signaal). Svenske PEAB sto for utviklingen av selve radaren, mens Signaal fikk oppgaven med å utvikle prosessoren og indikatoren. Høsten 1987 ble så de første realistiske prøvene gjennomført om bord på den svenske marinens missilfartøy HMS Halmstad.
På grunn av den lave toppeffekten fikk den svenske radarversjonen navnet PILOT, et akronym for Philips Indetectable LOw power Transmitter. At radaren ikke kunne oppdages, var likevel en overdrivelse, og PEAB endret etter et par år betydningen av akronymet til Philips I-band LOw power Transmitter. I-bånd er NATOs frekvensbetegnelse innenfor elektronisk krigføring, og tilsvarer X-bånd for radar.
FMCW-teknologien er basert på at det sendes ut en kontinuerlig bærebølge hvor frekvensen forandres lineært med tiden. Avstanden måles så ved å måle frekvensforandringen på det reflekterte signalet i forhold til da utsendelsen startet, i stedet for å måle tiden fra en puls blir sendt ut og til ekkoet blir mottatt. Hvor lenge frekvensforandringen pågår, bestemmer maksimal rekkevidde, og hurtigheten på frekvensforandringen bestemmer radarens skilleevne i avstand.
Under utviklingen av FMCW-radaren skilte de tre Philipsselskapene lag, noe som førte til mye krangel selskapene mellom om hvem som hadde rettighetene til radarutviklingen. Resultatet ble at det svenske selskapet NobelTech som hadde kjøpt opp PEAB, fortsatte med utviklingen av PILOT, mens Signaal fortsatte utviklingen av samme radar til en ny radar med navnet SCOUT.
PILOT ble tatt i bruk av den svenske marinen, og de har hatt gode erfaringer med den. Den har i hovedsak samme ytelse som den vanlige pulsradaren, men er mye bedre på korte avstander. En annen fordel er den lave sendereffekten. Etter at ”Kvikk-saken” i den norske marinen, satte fokus på mulige helseskader på grunn av mikrobølgestråling, ble SCOUT våren 1998 presentert som ”Den strålefrie radaren” og ”Elektronisk utstyr uten strålefare”.
Hovedproblemet med FMCW-radaren for sivile skip, er at den ikke tilfredsstiller IMO sine krav om at X-bånd navigasjonsradar skal kunne aktivisere og oppdage RACON, SART og RTE. FMCW-radaren kan derfor ikke installeres som eneste X-bånd navigasjonsradar på skip som må ha radar som tilfredsstiller IMOs krav til navigasjonsradar, og den høye prisen forhindret at den ble anskaffet som ekstraradar.

Bredbåndsrad

ar
Hverken PILOT eller SCOUT ble markedsført som navigasjonsradar for sivile fartøyer. For et par år siden kom imidlertid de tre Navico-selskapene Simrad, Lowrance og Northstar med en kommersiell navigasjonsradar, BroadBand Radar, basert på FMCW-teknologien. Dette er en enkel og rimelig, solid-state navigasjonsradar for mindre fartøyer som ikke må ha IMO-godkjent radar, selv om den også kan være nyttig for alle fartøyer til nærnavigasjon ved dårlig sikt.
Foruten ulempene med manglende presentasjon av RACON, SART og RTE, har radaren en liten antenne som gir en horisontal strålebredde på hele 5,2°. På korte avstander betyr ikke dette så mye, siden oppløsningen i peiling kan bedres ved å redusere forsterkningen med Gain og Anti-Clutter Sea uten at det i vesentlig grad går ut over evnen til å oppdage selv små objekter. Viktigere er det derfor at bredbåndsradaren har særdeles god oppløsning i avstand, og tilnærmet ingen minimumsavstand. Dette vises godt på illustrasjonen hvor bildet til venstre er fra Navicos BroadBand Radar, mens bildet til høyre er fra en tilsvarende pulset radar.
For mindre båter innebærer den lave toppeffekten på bare 0,1 watt, at antennen kan plasseres hvor som helst ombord uten risiko for strålingsskader. Mens det er stor usikkerhet om helsefarene knyttet til elektromagnetisk stråling, er det enighet om at det over tid medfører fare for grå stær å oppholde seg i området foran antennen til en vanlig navigasjonsradar. De kraftige pulsene vil dessuten kunne trenge lenger inn i kroppen. En vanlig effekt av pulsradar er midlertidig sterilitet ved at sædcellene varmes opp.
Multifrekvensradar
Radarsett som opererer på flere frekvenser samtidig, FD-radar (FD - Frequency Diversity), vil bedre deteksjonsmulighetene i dårlig vær. En variant er å utnytte squint-vinkelen for slotted waveguide (SWG) antennen. Utstrålingsvinkelen fra SWG-antennen er avhengig av frekvensen, og de to frekvensene vil derfor danne to hovedlober, i hver sin retning fra den samme antennen, noen grader til side for der antennen peker rett mot baugen. Objektene rundt radaren vil reflektere forskjellig for de to frekvensene, noe som kan utnyttes til å fjerne sjøekko og nedbørsekko. Fartøyer og land gir en så sammensatt refleksjon at det vil være liten forskjell på ekkoene for de forskjellige frekvensene.
FD-radar gir så mye bedre bilde i dårlig vær at X-bånd igjen kan konkurrere med S-bånd. Fordelene med S-bånd har gjennom lange tider gitt navigatørene et dilemma ved at de er pålagt å bruke X-bånd, mens de har visst at det er S-bånd som gir best bilde i dårlig vær. Med FD-teknologien vil navigatøren kunne bruke den beste radaren samtidig som den samme radaren tilfredsstiller IMOs krav til aktivisering og oppdagelse av RACON, SART og RTE.
Terma SCANTER FD
Danske Terma er en av de ledende produsentene av FD-radar, og deres SCANTER FD-radar leveres både for Sjøtrafikktjeneste (VTS – Vessel Traffic Services) og kystovervåkning, og som fartøysbasert søke- og navigasjonsradar. Radaren leveres også som vanlig navigasjonsradar med bare en frekvens. Den landbaserte versjonen av FD-radaren ble med godt resultat prøvd ut av Sjøforsvaret i forbindelse med en planlagt, men senere kansellert, modernisering av kystradarstasjonene i Sør-Norge.
Terma SCANTER FD sender sekvensielt på 9170 MHz og 9438 MHz i litt forskjellige retninger (ca. 2.1°) gjennom samme SWG antenne. Ekkoene fra de to lobene korrigeres så for denne forskjellen i rom og tid, og gjennom sammenligningen filtreres de slik at kun ekko som blir registrert på samme sted og med tilnærmet samme styrke i begge lobene, blir godtatt og presentert på radarskjermen.
Den landbaserte versjonen leveres normalt med en 18 fots eller 21 fots SWG-antenne, mens fartøysbårne versjoner også kan leveres med mindre antenner. Polarisasjonen er en viktig faktor for å redusere ekkoene fra regnbyger, og navigasjonssikkerheten bedres betydelig ved at antennene kan leveres med valgbar horisontal eller sirkulær polarisasjon.
Som overvåkningsradar og navigasjonsradar på fartøyer som opererer i farvann hvor skipet må kunne holde oversikten både på sjøen og i luften selv ved kraftig rulling og stamping, har Terma SCANNER FD den fordelen at den kan operere med tre forskjellige lobemønstre – ”fan beam”, ”cosec2” og ”invertert cosec2”.
Frekvensvariasjonen og den sirkulære polarisasjonen forbedrer radarens ytelse markert i dårlig vær, og kommer i tillegg til annen avansert signalbehandling som automatisk nivåtilpasset sjøekkodemper (ASC – Adaptive Sensitivity Control).
Terma SCANTER FD er levert som varslingsradar til marinen i flere land, og den er utviklet for å dekke segmentet mellom standard sivile navigasjonsradarer og avanserte og mer kostbare militære radarsett. Likevel har nok prisen vært en innvending mot anskaffelse av SCANTER FD som navigasjonsradar til vanlige handelsskip.

Sirkulær polarisasjon
Polarisasjonen angir hvilket plan det elektriske feltet brer seg i, og navigasjonsradaren benytter vanligvis horisontal polarisasjon for å gi god dekning mot overflaten uten at sjøekkoene blir for sterke. Sjøekko oppstår på grunn av krusninger på sjøen, og når bølgene bryter, og avhengig av bølgehøyde og brytning, kan sjøekkoene reduseres ved gradvis å forandre polarisasjonen.
Allerede i 1955 hadde Decca Radar Ltd utviklet en radarantenne med sirkulær polarisasjon for navigasjonsradar. Ved sirkulær polarisasjon roterer det elektriske feltet 360 ° i løpet av en bølgelengde, fra horisontal til vertikal og tilbake til horisontal. Når et signal med høyreroterende polarisasjon treffer en regndråpe, vil ekkoet bli speilvendt og få venstreroterende polarisasjon. Ekkoet vil derfor ikke bli akseptert av antennen, og regnekkoene forsvinner. Problemet er at ekko fra enkle eller runde objekter som reflektorer, jernstenger og staker, også vil forsvinne. Decca Radar Ltd hadde store forhåpninger til sirkulær polarisasjon, og i selskapets blad DECCA SCANNER våren 1956 ble det hevdet at de hadde perfeksjonert anvendelsen av sirkulær polarisasjon for tre-centimetersbåndet slik at de kunne produsere radarsett som var helt uten regnekko (”rain free”). Til tross for de gode resultatene mot regnekko, var den sirkulære polarisasjonen totalt sett ikke egnet for navigasjonsradar.
I 1980-årene kom også britiske Sperry på markedet med sirkulær polarisasjon på navigasjonsradaren. Men heller ikke den fikk noen suksess, og i tillegg til de tidligere problemene, kom nå også at den vanskelig kunne tilfredsstille IMOs nye krav til aktivisering og oppdagelse av RACON og SART.    
De nye IMO-kravene tillater sirkulær polarisasjon, men radaren skal da ha en bryter på indikatoren hvor navigatøren hurtig kan skifte over til lineær polarisasjon, slik at også objekter med enkel geometrisk konstruksjon blir oppdaget.
Sea-Hawk
En annen spennende utvikling innfor navigasjonsradar, står det Bergensbaserte selskapet Sea-Hawk Navigation AS for. Deres Sea-Hawk navigasjonsradar opererer i X-bånd, og har derfor god peilingsoppløsning med en rimelig stor antenne, samtidig som den får god refleksjon fra alle objekter. Problemet ligger i at X-bånd også gir god refleksjon fra bølge og nedbør, og i over 60 år har forskere forsøkt å løse dette problem. Navigatørene ønsker seg nemlig en radar som både gir et detaljert radarbilde, oppdager små objekter, og virker like godt i regn og stiv kuling som ved sol og havblikk.
Det spesielle med Sea-Hawk er at den sender ut pulser med forskjellige egenskaper, egenskaper som gir stor variasjon i refleksjonen. Ved å sammenligne ekkoene fra disse pulsene, kan ustabile ekko fra sjø og nedbør fjernes, samtidig som radarbildet presenteres i tilnærmet sann tid. Men det er også mulig å prosessere ekkoene motsatt vei, slik at radaren kan fungere so

m en bølgeradar. Som bølgeradar viser radarbildet tydelig bølgemønsteret, og navigatøren kan avlese bølgenes retning, hastighet, lengde og periode.
I tillegg til flere frekvenser, er polarisasjon et viktig parameter hos Sea-Hawk. På konvensjonelle radarsystemer kan det ta 10-20 sekunder, eller minst en halv nautisk mil redusert avstand mellom to hurtigbåter, før prosessoren har analysert og behandlet ekkoene til et noenlunde rent bilde. Teknologien til Sea-Hawk vil derimot gjøre dette i tilnærmet sann tid. Dette medfører også at Sea-Hawk har vesentlig bedre evne til å oppdage og starte målfølging av hurtiggående fartøyer. Siden heller ikke konvensjonelle radarsett blir degradert i pent vær, er det ikke noen merkbar forskjell mellom disse og Sea-Hawk i pent vær med hensyn til oppdagelsessannsynlighet. Det er i dårlig vær Sea-Hawk sine fordeler blir merkbare.
Siden 2006 har en forenklet versjon av Sea-Hawk gjennomført en vellykket forsøksperiode om bord på hurtigruteskipet M/S “Nordlys”, og i 2007 ble Sea-Hawk også montert på Troll C-plattformen for å oppdage eventuelle oljelekkasjer på feltet. 
Sea-Hawk Navigation AS har også levert flere radarsett av typen SHN X9 med X-bånd og 9 fots antenne til fartøyer som har høye krav til navigasjonssikkerhet og et detaljert sanntids radarbilde. Blant disse er seimikkfartøyet M/S “Ramform Sterling” som har behov for en radar som kan gi et detaljert situasjonsbilde, selv i dårlig vær, av de opptil 22 lyttekablene (streamerkabler) som fartøyet sleper, og ikke minst oppdage flytende objekter som kan representere en fare for slepet.
Hvem vil ha god radar?
Utviklingen av nye og bedre radarsystemer er både tidkrevende og kostbart. Når så disse nye radarsettene skal markedsføres, viser det seg at få rederier ønsker å anskaffe dyrere radarsett bare fordi de er bedre og virker i dårlig vær. Da er de gode, gamle og velprøvde (men ofte dårlige) radarsettene det greieste kjøpet. Men det blir ingen fremskritt hvis alle har fokus på innkjøpspris, IMOs minimumskrav, og ikke på best ytelse og kvalitet.
Den bedre navigasjonssikkerheten og reduksjon i ulykker til sjøs som kan oppnås med ny radarteknologi, bør i tiden fremover få rederiene til å legge større vekt på valg av navigasjonsradar. I stedet for å overlate radaranskaffelsen til verftet, bør rederiene benytte uavhengige radarkonsulenter, gjerne erfarne navigatører med ekstra radarkompetanse, til å foreta en faglig markedsanalyse før de velger radar. Det er lite fornuftig at en ekstrakostnad på noen hundre tusen kroner skal være bestemmende for anskaffelse av det viktigste utstyret for sikker navigasjon på et fartøy til flere hundre millioner.
Navigasjonsradaren er for viktig til at valget kan overlates til prosjektledere og økonomer.

Verdens første handelsskip med radar?
Som avslutning på serien om ”Den vidunderlige radaren” tar jeg med historien om et av verdens første handelsskip som fikk radar. Selv om også Sverige var kommet langt i utviklingen av radar ved krigens slutt, vil det nok være overraskende for mange at det trolig var et svensk rederi som var det første til å få montert radar på et ordinært handelsskip.
Monteringen ble foretatt så tidlig som i november 1945 i New York, og skipet var M/S “Tunaholm” fra Svenska Amerika Mexico Linjen.
I midten av desember det året kom M/S “Tunaholm” til Göteborg etter å ha fullført en reise som av ”Dagens Nyheter” ble betegnet som ”den merkeligste i svensk skipsfart”. Det ”merkelige” var at M/S “Tunaholm” hadde gått for full fart i snøtykke og mørke fra New York til Göteborg uten å risikere kollisjon med andre fartøyer. Og ikke nok med det, skipet risikerte heller ikke å kollidere med noe som helst annet som måtte finnes i havet.
Joda, dette var sannelig et vidunderapparat, selv om det med tiden førte til begrepet ”radarassisterte kollisjoner”.
M/S “Tunaholm” ble sjøsatt 25. mai 1938 ved AB Götaverken i Göteborg, og levert til AB Svenska Amerika Mexico Linjen i juli samme år. Det 125 meter lange skipet på 5170 Dwt, hadde en 8-sylindret Götaverken dieselmoter på 5100 IHK. Noe som ga henne en toppfart på 15 knop.

(Se bladet for flere illustrasjoner.)

Med dette er sirkelen sluttet. Jeg håper at dere lesere har funnet serien interessant og kanskje til og med nyttig.
oygarvik@online.no