Tutka

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).
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. 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.

Pitkänkantamantutka

Pitkänkantamantutkat, 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.

Lentokentän lähestymisaluetutka

Lentokentän lähestymisaluetutkaa (Terminal Area Radar, TAR) käytetään lentoaseman lähestymislennonjohdossa (APP). Tutkan avulla ohjataan lentoliikennettä lähestymisalueen sisällä ja alueelta toiselle. Lähestymisalueen tutka on ns. keskialueen tutka. Sekin on satoja kilometrejä mittaava ja siksi sillekin on sopiva taajuus 1 – 3 GHz.

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.

Liikennekoneen tutka

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.

Lentokoneen korkeusmittari

Suuremmissa lentokoneissa on tutkaperiaatteella toimiva korkeusmittari ilmanpainetoimisen mittarin lisäksi. Se on FM-periaatteella toimiva kantoaaltotutka, joka mittaa todellista etäisyyttä koneen alla olevaan pintaan.

Tutka merenkulussa

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).

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.
Viime vuosina onkin pyritty kehittämään häiveteknologiaa hyödyntäviä, tutkassa vaikeasti havaittavia laivoja ja lentokoneita (esimerkiksi F-117-rynnäkköhävittäjä tai B-2 Spirit -pommikone) kehittämällä tutkaheijastuksia vähentäviä materiaaleja ja vaikuttamalla heijastavien pintojen muotoon.
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.
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.
Suomen ilmapuolustuksessa on ilmavalvonnan perusjärjestelmänä tutkaverkko, joka koostuu lähivalvonta- keskivalvonta- ja kaukovalvontatutkista. Lähivalvonta tarkoittaa noin 100 km:n etäisyyttä, keskivalvonta noin 300 km:n etäisyyttä ja kaukovalvonta noin 500 km:n etäisyyttä.

Monostaattinen tutka

Tutkat voidaan jakaa myös lähettimen ja vastaanottimen sijaintipaikan mukaan monostaattisiin, bistaattisiin ja multistaattisiin tutkiin.
Monostaattinen tutka on yleisin tutkatyyppi. Monostaattisessa tutkassa lähetin ja vastaanotin ovat samassa paikassa, useimmiten samassa laitteessa. Tutka kuuntelee kohteesta kohtisuoraan takaisin kaikuvaa signaalia 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.

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.

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.

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.

Ohjustutka

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.

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. Niitä tarvitaan varsinkin valtamerien sotilaalliseen valvontaan ja sään ennustamiseen sekä laittoman maahantulon, salakalastuksen ja salakuljetuksen paljastamiseen.

Säätutka

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.

Liikenteen valvonta

Nopeudenmittaustutka eli liikenteenvalvontatutka mittaa pelkästään kohteen nopeuden Doppler-tutkaperiaatteella. 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 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.

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 HHz, 76 GHz, ja 96 GHz. Näinkin korkeilla taajuuksilla, mutta lyhyellä etäisyydellä, tutkan kyky nähdä läpi pimeyden ja sateen on sen vahvimpia etuja.

SAR

Synteettisen apertuurin tutka eli SAR (engl. Syntetic Aperture Radar, SAR) 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.
SAR:n tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat kartoitus, öljyläikkien etsintä mereltä, maaperän mineraalien tutkimus ja sotilaallinen alueen tutkimus.

Planetaarinen tutka

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".