15. 8. 2008 / Vladimír Schejbal
Na mé poznámky pod názvem "Nic není bez rizika, aneb několik poznámek k radaru v Brdech" ke studii Technické a provozní aspekty XBR radaru v Brdech autorů Hlobil, Kaucký, Pokorný reagoval ing. Milan Hlobil v Britských listech článekm „Ani profesor fyziky nezpochybní fyzikální jevy“, bohužel jeho argumentace spočívala pouze v tom, že perfektně vyvracel nesmyslná tvrzení, která se v mých poznámkách vůbec neobjevovala.
Protože jsem odborník v oboru radarových antén a šíření vln (nikoliv profesor fyziky), nebudu spekulovat, či dokonce kritizovat argumenty o jiných problémech a v žádném případě netvrdím něco, co by bylo v rozporu s mými znalostmi a zkušenostmi. Navíc jsem jednotlivá tvrzení opíral o numerické simulace nebo údaje publikované v literatuře.
Pouze jako běžný občan reaguji na zcela překroucená fakta – nikdo mne k této reakci nevyzýval a v žádném případě není pravda, že „ hlavní ideou článku pana profesora je především obhajoba studií ministerstva obrany a národní referenční laboratoře [1], [2] bez ohledu na objektivní fakta“ – v skutečnosti jsem pouze konstatoval, že se jedná o solidní studie, kde jsem nenašel závažnější nedostatky k hlediska možných vlivů mikrovln (je zřejmé, že tyto studie zpracovávali odborníci v dané problematice).
Autoři studie [3] se téměř nevěnovali otázce klíčového parametru a to střední výkonové hustotě. Na povrch země budou dopadat pouze postranní laloky a proto ve vzdálenosti větší než několik set metrů bude tato hodnota nižší než hodnota uvedená v nařízení vlády – ve vzdálenosti větší než jeden kilometr bude vliv radaru podstatně menší než vliv mobilního telefonu. Podobně pro hlavní svazek v důsledku rozmítání svazku bude střední hodnota menší než 0,182/12.52 = 0,0002 hodnoty v hlavním svazku a je tedy pouze dvakrát větší než hodnota vlivem postranních laloků a bude směřovat nad vrcholky všech kopců, tzn. ve vzdálenosti několik set metrů bude vliv z hlediska střední výkonové hustoty menší než pro mobilní telefon. Studie pouze uvažuje maximální výkonovou hustotu, která je pouze pomocná hodnota.
Dále k jednotlivým tvrzením Ing. Hlobila:
Cituji z mého vyjádření: „Nebudu se zabývat spekulacemi typu, co by stalo, kdyby se použila nejnovější technologie pro zvýšení výkonu (je to stejné jako bychom argumentovali, že není možné povolit 5 patrový dům, protože by tam někdo mohl postavit 100 patrový dům). Každý, kdo někdy navrhoval radar ví, že nejméně vhodný způsob zvýšení dosahu je zvýšit vyzařovaný výkon. Další málo vhodný způsob je zvětšit anténu. Ekonomicky (ale i technicky) nejvýhodnější způsob je zlepšit parametry na přijímací straně včetně zpracování signálu. “
Odpověď Ing. Hlobila: „Uvádíme pouze možnosti zajištění oficiálně uváděného dosahu na cíle s minimální odraznou plochou, což je naprosto legitimní postup v každé studii.
Za vhodnější reakci bych považoval výpočet minimální potřebné citlivosti a výkonu EMR pro cíl s plochou cca 0,001 m2, na dálce 2000 km a 4700 km při pravděpodobnosti správné detekce 90%.“
Způsob kódování signálů a řada dalších podrobností o zpracování signálů patří k nejvíce utajovaným skutečnostem a přitom velmi podstatně ovlivňují parametry radaru. Protože kódování a zpracování signálů není moje specializace, nebudu o tom spekulovat.
Pouze uvedu dotaz: Cíl s plochou cca 0,001 m2 – cílem je balistická řízená střela (BŘS). Např. [6] provádí detailní odhady poměrně malé hypotetické rakety a tyto odhady jsou řádově 1 m2. Nechápu, proč bych měl uvažovat hodnotu 0,001 m2, která se uvádí pro některé letouny "stealth", kde se tato hodnota dosahuje pouze v omezeném sektoru úhlů (energie se odráží do jiných směrů) a použitím absorpčních materiálů. Obě tyto možnosti jsou pro BŘS velice omezené (vzhledem na natočení střely směrem k radaru v různých fázích letu a rychlostem této střely, kdy většina absorpčních materiálů nebude použitelná a navíc mají tyto materiály pro široký rozsah úhlů podstatně horší vlastnosti).
Zisk je „nadnesený“. Pro výpočet jsem použil několik zcela různých postupů - použijeme-li výpočet [7] dostaneme zisk 60 dBi. Tento zisk bude ve skutečnosti menší (zhruba o 1,5 dB), neboť vzdálenost mezi prvky (jejich středy) je větší než 2,5 λ [4] bez ohledu na zcela nesmyslný argument, že apertura je tvořena ústím trychtýřů, které se vzájemně dotýkají. Kdyby vzdálenost byla menší než 1 λ (3 cm), muselo by se použít mnohonásobně víc prvků.
Uvažujeme-li plochu antény 105 m2 dostaneme pro účinnost 50% (která odpovídá deklarovaným postranním lalokům) zisk 58,5 dBi. Podobně při uvážení počtu prvků, zisku prvku (trychtáře) a účinnosti dostaneme 58 dBi, což odpovídá nahoře uvedeným hodnotám a pro další výpočty jsem používal hodnotu 58,5 dBi. Pokud bychom nadále uvažovali výkon 4,5 MW (i když oficiálně uváděná hodnota podle [2] je 170 kW), dostaneme, že maximální hodnota 10 kW/m2 bude ve vzdálenosti zhruba 5,1 km. Protože již nejsme ve Fresnelově zóně, bude dosah zhruba 4,9 km. Tato hodnota se dále sníží vlivem ztrát v jednotlivých částech napájecí trasy (např. fázovače), ale tuto hodnotu bychom museli pouze odhadovat a proto ji neuvádím.
Nezpochybňuji velikost Fresnelovy zóny, ale ve své praxi jsme museli vícekrát určovat hustoty výkonu i v malé vzdálenosti od antény. V menší vzdálenosti pouze roste kvadratická chyba (pominu-li bezprostřední okolí antény) - pro elevaci 2° (tzn. 10. a další postranní laloky) se již vzdálenější laloky nezvyšují a samozřejmě se sníží zisk. Proto i svá tvrzení jsem pro radar v Brdech přepočítával pro vzdálenost 800 m a předpokládané Taylorovo rozložení (které je optimální z hlediska úrovně postranních laloků a efektivity) pro -50 dB. Pro uvedená tvrzení odkazuji na [8], [4], část 4-24, tab. 4.42, 4.43 a obr. 4.33 a proto neuvádím své výpočty, které jsou s nimi v souladu. Je zřejmé, že Ing. Hlobil se příliš spoléhá na různé poučky bez snahy o pochopení příslušné fyzikální reality. Asi to dokládá čínské rčení: Pokud něco slyšíš, tak to zapomeneš, pokud to čteš, tak si to zapamatuješ a pokud něco děláš, tak to pochopíš.
(situace na věži meteorologického radaru na kopci Praha – ozařování pracovníků):
Opět cituji z mého vyjádření: „Pro uvedenou vzdálenost by již tato hodnota nepřekročovala 10 kW/m2 ani pro maximum vyzařování. Protože by se nejednalo o maximum, byla by tato hodnota o zhruba 15% nižší, navíc pro zaměstnance platí 5x vyšší limit (podle nařízení vlády musí zaměstnavatel zajistit, aby zaměstnanci prováděli údržbu na anténě v době, kdy není radar v provozu).“
Odpověď Ing. Hlobila: „Patnáctiprocentní pokles ozáření na okraji směrové charakteristiky nic nevypovídá, když neznáme přesné výkonové parametry radaru EBR určeného pro Brdy.“ je opět zcela nesmyslná (účelové spekulace o neznámých parametrech).
Opět cituji z mého vyjádření: „Jde o velmi sugestivní výklad, který je založen na 50 let starém článku (Sdělovací technika 7/1954: Homogenita atmosféry). Uvedený jev byl samozřejmě mnohokrát pozorován, ale pro skutečné posouzení vlivu by bylo nutné podrobně analyzovat nejen obecná tvrzení, ale i fyzikálně možné parametry indexu lomu, výšky vrstvy, vliv na změnu úhlu elevace atd. podobně jako v článku [5], kde jsou uvedené podrobné numerické simulace a měření prováděná v západních Čechách i v případě vlnovodového kanálu. Navíc byly hodnoty indexu lomu podrobně v Čechách zkoumány – viz [5] a citované odkazy. Tvrzení studie [2], že se jedná z hlediska škodlivosti vyzařování o nepodstatný jev je přijatelné.“
Z uvedeného nevyplývá sebemenší náznak, že bych chtěl popírat fyzikální jev (vlnovodový kanál). Tvrzení Ing. Hlobila „Proč pan profesor zpochybňuje fyzikální jevy?“ je tedy zcela nesmyslné. Že se jedná z hlediska škodlivosti vyzařování o zcela nepodstatný jev, je podrobněji ukázáno dole.
Vlnovodový kanál obvykle vzniká pro vodorovné paprsky či směřující k zemi (to jsou případy, které uvádí Ing. Hlobil – radar v Brdech bude ovšem směřovat nahoru) a vyskytuje se v Čechách poměrně zřídka (při šíření nad mořem jde o vcelku pravidelný jev) – pro horizontální paprsek je nutné, aby dn/dh < -157.10-9m-1, což se v nejhorším měsíci vyskytuje v méně než 10% [9]. Aby se vlnovodový kanál objevil pro vyšší elevaci, je nutné, aby byla tloušťka vrstvy dostatečně velká a dn/dh << -157.10-9m-1 – např. pro elevaci 0,25° musí být pro tloušťku vrstvy 50 m hodnota dn/dh < -350.10-9m-1 [10] tato hodnota dn/dh se vyskytuje v podstatně méně než 1% v roce [9]. Navíc to není dostatečná podmínka – např. anténa by nemohl být nad touto vrstvou.. Pro nejnižší elevaci radaru 2° je zobrazen ve studii [2] pro dn/dh = -40.10-9m-1 (standardní atmosféra) a dn/dh = -160.10-9m-1 průběh ohybu paprsku a je vidět, že se bude paprsek mírně ohýbat, takže se pro blízké vzdálenosti (do 12 km) je vliv případného vlnovodového kanálu zcela nepodstatný. To znamená, že autoři studií [1] a [2] tento jev analyzovali a zanedbali jej jako nepodstatný.
Vlnovodový kanál pro elevaci 2° je v Čechách téměř nemožný (potřebná tloušťka vrstvy a dn/dh by se možná mohla vytvořit zcela výjimečně nad mořem). Bez ohledu na tento fakt plyne z podrobné studie [5], kterou Ing. Hlobil zcela záměrně ignoroval, závěr presentovaný i v řadě dalších pramenů, že se vlnovodový kanál i pro dn/dh = -400.10-9m-1 uplatňuje pro dopad paprsku na zem až ve větší vzdálenosti a pak se jedná o takový pokles, že dostaneme úrovně mnohonásobně menší než maximální meze (to samozřejmě nijak nepopírá, že je možné přijímat rozhlasové a televizní vysílání a pozorovat cíle pomocí radarů – zatímco mez pro maximální výkonovou hustotu ze zdravotního hledisku je 10 000 W/m2, je z hlediska citlivosti radarů naprosto dostatečná maximální výkonová hustota 10-14W/m2, tzn. jedná se o 18 řádů nižší hodnotu).
Pro ilustraci budeme uvažovat zcela extrémní případ, který by asi nemohl v Čechách vůbec vzniknout: tloušťka vrstvy 300 m (ve výšce 700 až 1000 m, aby byla anténa v této vrstvě), dn/dh < -2000 . 10-9m-1 a vzdálenost D = 16 km. Pro nejnižší elevaci radaru 2° by přímočarý paprsek směřoval do výšky 16.tg 2° = 559 m. Pro tento zcela extrémní případ by se snížila výška (předpokládejme n0 = 1,0003) o
To má několik důsledků – pokles výšky 256 m bude stále nižší než vzrůst výšky vlivem nejnižší elevace (559 m) a daný velice úzký svazek (0,18 x 0,18°) se sice bude ohýbat, ale téměř se nebude deformovat, tzn. že pokles energie bude prakticky stejný jako při šíření ve volném prostoru. Ve vzdálenosti 16 km bude proto jak střední, tak maximální výkonová hustota mnohem menší než jsou povolené meze (více než 10x pro uvažovaný maximální výkon 4,5 MW a více než 100x pro střední hodnotu).
Zabývám se odraznou plochou cílů pro různé úhly dopadu vlny a proto vím, že dochází k dopřednému rozptylu v přímém směru a že dopředná odrazná plocha je výrazně větší než monostatická. Tento jev se zcela běžně využívá pro bistatické radary.
Daný jev také dobře osvětluje [11] (protože se jedná o poměrně komplikovaný problém, uvedená citace je určená pouze pro specialisty a proto ji cituji v angličtině) “The following physical interpretation of the shadow radiation is possible. In the shadow region, at a finite distance from the scattering object, this radiation can be considered as a wave beam that asymptotically cancels the incident field ... The shadow radiation in these directions actually is nothing but the well-known phenomenon of forward scattering ... The shadow radiation does not depend on the whole shape of the scattering object, and is completely determined only by the size and the geometry of the shadow contour.“
Takže skutečně platí (cituji z mého vyjádření) „„Dopředný odraz“ je měřítkem rozptýleného výkonu v přímém směru, tzn. ve stejném směru jako dopadající pole. Tento výkon je obvykle v protifázi a to znamená, že se od dopadajícího pole odečítá, takže se vytvoří oblast stínu za objektem [6] a ozáření v přímém směru se zmenší (jedná se o stejný omyl jako bychom počítali intenzitu stínu měsíce a tvrdili, ze během zatmění slunce dojde k zvýšení jasu)!!!
Studie [3] příloha 9, příklad 3. Šířka svazku (nula - nula) je pro lineární rozměr 2 m (trup letadla) zhruba 57*0,03/2 = 0,89 stupňů a proto pro 175,7 stupňů nedochází k “dopřednému odrazu“. Pro tento úhel je odrazná plocha prakticky stejná jako pro zpětný odraz a proto v uvedené vzdálenosti už je odražený výkon mnohonásobně menší (nezvětšuje se)!!!“
Ve svém vyjádření jsem uvedl několik poznámek pro odborníky a názorný příklad pro naprosté laiky (zastínění slunce). Pro mírně poučené laiky uvádím, že zpětné záření reflektorové antény je velmi malé, i když (protože!!!) z hlediska napáječe (např. trychtýře) se jedná o dopředný odraz.
Že Ing. Hlobil nepochopil poznámky pro odborníky bych chápal, ale že nepochopil ani názorný příklad pro naprosté laiky, je poněkud (?) překvapující.
Jako perličku bych uvedl, že výpočty dopředného odrazu ve studii [3] jsou chybné – dopředný odraz nemá vůbec nic společného s monostatickou odraznou plochou [6], [11] (viz citaci kurzívou) a [13], tzn. pro letouny "stealth" by byly výpočty podle [3] o 4 řády nižší (i když je monostatická odrazná plocha pro letouny "stealth" o několik řádů nižší než pro běžné letouny, jsou dopředné odrazy řádově stejné pro "stealth" i běžné letouny).
Je zřejmé, že Ing. Hlobil má pozoruhodné encyklopedické znalosti z oboru radiolokace a šíření vln, ale vůbec nechápe základní principy a proto může psát zcela nesmyslná tvrzení – např. „Rétorická forma vyjádření pana profesora (...,že „zastíněné slunce více svítí“, atd....) má asi zpochybnit dopředný rozptyl (odraz), který je však fyzikálně znám a využíván více než 50 let.“ Zcela pominu fakt, že záměrně citoval zkresleně.
„Pan profesor difrakci na hraně kopce připouští, ale jeho argument, že pokles výkonu je v tomto případě 25% o neškodnosti záření nic nevypovídá, když neznáme parametry radaru EBR. Totéž platí o zpochybňování rizika záření do kabin letounů.“
Opět bych mohl citovat odstavec „K výkonu radaru...“
Opět nesmyslné tvrzení, které mi Ing. Hlobil předsouvá, se v mém vyjádření nikde nevyskytuje: „Případnou spolupráci operátorů radaru XBR s orgány řízení letového provozu tak, aby letouny do 50 km nebyly ozařovány (ať již z důvodu ozařování osob nebo elektromagnetické kompaktability) považuji při hustotě letového provozu nad ČR za nezodpovědnou improvizaci.“
„Polemiku profesora Schejbala nelze považovat za objektivní z těchto důvodů:
Při hodnocení studií [1], [2] jsou přehlížena zásadní pochybení týmu, který prováděl měření na atolu Kwajalein a zpracovával studie:
Je s podivem, že tato závažná pochybení ušla pozornosti pana profesora, který pracoval v UVR Opočínek na anténním oddělení, kde se zabýval výzkumem radarových antén a šířením vln. Vážím si věcné a objektivní diskuse, v tomto případě ale musím konstatovat, že hlavní ideou článku pana profesora je především obhajoba studií ministerstva obrany a národní referenční laboratoře [1], [2] bez ohledu na objektivní fakta.
Skutečně odborná a objektivní diskuse je podle mého názoru možná až po korektním zveřejnění parametrů radaru EBR určeného pro Brdy. Výkon a jeho přesná definice by měly být nezbytně doplněny a zveřejněny v základní smlouvě s USA. Je to jediná slušná cesta k dialogu s občany ČR.“
Uvedený závěr je bohužel zcela nevěrohodný a zcela překrucuje fakta:
„Dodržení nejvyšších přípustných hodnot modifikované proudové hustoty indukované v těle, měrného v těle absorbovaného výkonu a hustoty zářivého toku se zjišťuje výpočtem nebo měřením
a) na modelech (fantómech) lidského těla nebo jeho částí, nebo
b) hodnot intenzity elektrického pole, magnetické indukce, hustoty zářivého toku, kontaktního a indukovaného proudu tekoucího kteroukoli končetinou, nebo hustoty dopadnuvší zářivé energie, zjištěných pro posuzovanou situaci, a jejich srovnáním s referenčními úrovněmi těchto veličin upravenými v příloze č. 1 k tomuto nařízení, tabulkách č. 4 až 11. “
Opět bych mohl citovat odstavec „K výkonu radaru...“
Uvítal bych opravdu objektivní zhodnocení parametrů radaru, které by samozřejmě mohl provést nějaký specialista (v Čechách je řada lidí, kteří se těmto otázkám profesionálně věnují) a ne někdo sice s pozoruhodnými encyklopedickými znalostmi, avšak se zcela zřejmým nepochopením základních principů pouze na základě nesmyslných spekulací.
Ve svých poznámkách jsem komentoval pouze některé nesmysly z oboru šíření vln a antén a vůbec nekomentuji nesprávné úvahy studie [3], příloha 13 a 14, o parametrech radaru (citlivosti, šířce impulsů, výkonech atd.) a proto pouze odkazuji na [13] rovnici (2.10) a následující rozbor, nebo [14] (radarová rovnice) - současné zúžení šířky impulsu a zvětšení výkonu nepřinese zvětšení dosahu a domnívat se, že to libovolný výrobce radaru netuší je zcela absurdní!!!
Literatura
1. BEDNARČÍK, P., MAREK. L., KOMÁREK, Z., PEKÁREK, L. Předběžné posouzení vlivu radiolokační stanice EBR (European Based Radar) na zdravotní stav populace v okolí vojenského újezdu Brdy. Praha: Ministerstvo obrany ČR, Srpen 2007.