Tutka
Tutkan toimintaperiaate

Tutkassa on radiolähetin (oma lähetin tai passiivisessa tutkassa vieras lähetin), joka lähettää voimakkaita radioaaltoja, ja radiovastaanotin, joka käsittelee (prosessoi) kohteen heijastumisesta aiheutuvia tutkakaikuja. Heijastunut heikko radiosignaali on mahdollista havaita ja vahvistaa, joten tutka sopii hyvin etäistenkin kohteiden havainnointiin.
Tutkat toimivat sähkömagneettisen spektrin radioaalto- tai mikroaaltoalueella, ja siksi mittaaminen voi tapahtua lähes haitatta sumun, sateen ja pimeyden läpi, jopa erikoistapauksissa kiinteiden aineiden, kuten puun tai maaperän läpi. Käyttötarkoitus ja toimintataajuus ovat yhteydessä toisiinsa, mutta kaikki taajuusalueet ovat mittaamisessa jollain tavalla käyttökelpoisia. Säätilan vaikutus kasvaa merkitsevästi, kun taajuus on yli 3 GHz. 9 GHz:n taajuudella rankka vesi- ja lumisade vaimentavat mittausetäisyyden alle sataan kilometriin.
Taajuusalueiden perinteisiä nimityksiä
L-alue, aallonpituus n. 30 cm, taajuus n. 1 GHz. Pitkän kantaman tutka ja toisiotutka.
S-alue, aallonpituus n. 10 cm, taajuus n. 3 GHz. Keskipitkän kantaman tutka.
C-alue, aallonpituus n. 5 cm, taajuus n. 6 GHz. Keskipitkän kantaman tutka, säätutka.
X-alue, aallonpituus n. 3 cm, taajuus n. 9 GHz. Lyhyen kantaman tutka, merenkulkututka.
K-alue, aallonpituus n. 1 cm, taajuus n. 24 GHz. Hyvin lyhyen kantaman tutka, liikenteenvalvontatutka.
Pulssitutkan lähettimen lähete on jaksotettu lyhyiksi, suuritehoisiksi pulsseiksi. Lähetetty ja maalista heijastunut signaali etenevät valon nopeudella. Aika, joka kuluu signaalin etenemisessä lähettimestä maaliin ja takaisin, on mitattavissa ja muutettavissa laskennallisesti etäisyydeksi.
Kantoaaltotutkan jatkuvassa lähetteessä ei ole katkoksia, eikä se ole erityisen suuritehoinen. Jos siinä käytetään modulaatiota, joko taajuusmodulaatiota (FM) tai vaihemodulaatiota (PM), etäisyys voidaan mitata sen avulla määrittämällä aika, joka kuluu kun täsmälleen lähetetyn kaltainen signaalin tunnusmerkki palaa heijastuneena maalista takaisin. Aina ei ole tarpeen mitata etäisyyttä, esim. poliisin nopeudenvalvontatutka, joka on tyypillinen dopplertutka.
Jos käytetty aallonpituus on kyllin lyhyt, jotta antenni voi olla kohtuullisen pieni muodostaakseen tarpeeksi terävän säteilykuvion eli keilan, voidaan sen asennon avulla määrittää maalin suunta sekä sivu- että korkeussuunnassa.
Monopulssitutka pyrkii hyvin suureen suuntatarkkuuteen. Se perustuu keilan jakamiseen kahteen (tai useampaan) osaan ja osakeilojen tuottamien kaikujen vertaamiseen keskenään, joko niiden voimakkuuden, tai vaihe-eron perusteella.
Seuranta: Kun maalin paikka voidaan näin määritellä toistuvasti ja tarkasti, voidaan näiden reittipisteiden avulla määritellä maalin kulkunopeus ja reitti. Näitä tietoja voidaan käyttää myös maalin tulevan reitin ennakointiin esimerkiksi törmäysten estämiseksi lennonvarmennuksessa ja merenkulussa, tai maaliin osumiseksi ammuksella sotilaallisissa sovellutuksissa.
Pulssidopplertutka on pulssitutkan ja dopplertutkan yhdistelmä. Tarkoituksena on eritellä kaikupulssit maalin liikehdinnän aiheuttaman dopplersiirtymän eli taajuuden pienen muutoksen perusteella. Tyypillinen sovellus on lennonvarmennustutka, joka suodattaa pois kuvasta ja tietojenkäsittelystä tarpeettomat maalit, kuten maanpinnasta, metsistä, tuuliturbiineista ja rakennuksista syntyneen suuren ja tarpeettoman maalien joukon, maavälkkeen. Näin saadaan hyötymaalit, lentoliikenne, paremmin näkyville, kun se ei peity tarpeettomien maalien alle. Dopplersiirtymän avulla voidaan eritellä esim. suihkukoneet, potkurikoneet ja helikopterit. Säätutka on myös pulssidopplertutka, vaikka sellaisia usein nimitetäänkin yksinkertaisesti dopplertutkiksi. Myös niillä on oleellinen toimintatapa eritellä ilmamassojen, jääkiteiden ja vesipisaroiden erilaisia liikekomponentteja sääennusteiden laatimisen perustaksi.
Liikkuva välke pulssidopplertutkan mittausalueella on välkettä, joka ei tulekaan paikallaan pysyvästä kohteesta vaan liikkuvasta. Tällöin onkin liikekomponenttien erittely tarpeellisiin ja turhiin hyvin vaikeaa. Tällainen tilanne syntyy, jos metsän puut huojuvat kovassa tuulessa rajusti, tai jos merellä on suuria aaltoja, merivälkettä. Myös laajalti käyttöönotettu tuulivoima ja suuret tuulivoimapuistot lukuisine turbiineineen synnyttävät tilanteen, jossa tutkamaali sisältää tuuliturbiinien pyörivien roottoreiden laajan dopplersiirtymien joukon. Kun roottorisiivet vielä ovat pinta-alaltaan laajoja ja niitä on paljon, on jouduttu kehittämään vaativia laskentamenetelmiä ja kalliita laitteita uuteen ympäristöön sopeutumiseksi.
Korkean tuuliturbiinin lapojen liike 250 – 300 metrin korkeudessa kovalla tuulella vastaa 300 – 500 km/h dopplersiirtymää, joka vastaa hävittäjälentokoneen liikehtimisnopeutta. Pyörivän turbiinin lapojen radiopinta-ala on moninkertainen hävittäjäkoneeseen verrattuna. Risteilyohjuksen tai taistelulennokin radiopinta-ala on vielä sitäkin pienempi ja ne lentävät juuri matalilla korkeuksilla. Siksi sotilaalliset vaatimukset asettavat rajoituksia tuuliturbiinien sijoitukselle.
Tuulivoimaloiden lukuisat lieriömäiset tornit muodostavat suuren heijastuspinta-alan, joka voi aiheuttaa maalin paikan poikkeamisen oikeasta eli harhamaalin. Edes toisiotutka, joka on liikennekoneiden tärkeä lennonjohtoväline, ei pelastu tältä virhemahdollisuudelta. Asiaa helpotetaan tuulipuistojen ja tutka-asemien paremmalla keskinäisellä sijoituksella, jota voidaan tietokoneella mallintaa. Joskus tuulipuistojen aiheuttama katvealue on katettava ylimääräisellä tutkalla.