اساسيات علم الرادار

serag eldin · 19-11-2008, 04:27 PM

Cpt.Ahmed Mousa

علم الرادار

الرادار هو نظام يستخدم موجات كهرومغناطسية للتعرف على بعد وارتفاع واتجاه وسرعة الأجسام الثابتة والمتحركة كاطائرات،والسفن ، والعربات، وتشكيل الطقس، والتضاريس. جهاز الارسال يبعث موجات راديو التي تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال. و تكون الموجات المرتدة إلى المستقبل ضعيفة، فيعمل جهاز الاستقبال على تضخيم تلك الموجات مما يسهل على جهاز الرادار أن يميز الموجات المرسلة عن طريقه من الموجات الأخرى كالموجات الصوتية وموجات الضوء. يستخدم الرادار في مجالات عديدة كالارصاد لمعرفة هطول الامطار، ومراقبة الملاحة الجوية، الشرطة لكشف السرعة الزائدة، وأخيرًا والأهم استخدامه بالمجال العسكرى. سمي الرادار بهذا الاسم اختصارا لجملة (RAdio Detection And Ranging)

هوائي رادار وضع في ميامي عام 1956

قصة نشأة الرادار

أول من استعمل الموجات الراديوية للكشف عن وجود أجسام معدنية عن بعد كان العالم كريستيان هولسمبار الذي أظهر عملية كشف وجود سفينة من خلال الضباب ولكن من غير تحديد المسافة

نيكولا تسلا رائد علم الكهرباء، أنشأ الأسس المرتبطة بين الموجات و مستوى الطاقة قبل الحرب العالمية الثانية وكان الرادار البدائي.

أما الرادار أحادي النبض فقد ظهر في عام 1943 بأمريكا ثم المانيا وفرنسا ، وذلك بواسطة إميلي جيراردو ،الذي أظهر أول رادار فرنسي حسب تصورات تيسلا الأساسية، في حين أن أول ظهور للرادار الكامل كان في بريطانيا كدفاع عن أي هجوم للطائرات وذلك في عام 1935. ازدادت الأبحاث خلال الحرب لإظهار أفضل الرادارات كأسلوب للدفاع حتى ظهرت رادارات متحركة بمواصفات أفضل. وبالسنوات التي تلت الحرب استخدم الرادار بقوة في المجال المدنيكمراقبة الملاحة الجوية والارصاد وحتى بعلم قياسات الفضاء في الفلك.

أساسيات علم الرادار

الانعكاس

الموجات الكهرومغناطسية تنعكس (أحيانًا تتبدد) عند أي اختلاف كبير في ثوابت العزل الكهربائى أو التعاكس المغناطيسى (الديامغناطيسية)، وهذا يعني أن المواد الصلبة الموجودة بالهواءأو الفراغ أو أي تغيير ملموس بالكثافة الذرية بين الجسم والبيئة المحيطة به سوف يبدد الإشعاع أو الموجات الراديوية. وتنطبق على الموصلات الكهربية كالمعادن والألياف الكربونية والتي تساعد الرادار على سهولة الكشف على الطائرات والسفن. المواد التي تمتص الرادار تحتوي علىمقاومة ومواد مغناطيسية وتستخدم بالعربات العسكرية لخفض انعكاس الرادار، وأيضا الاصباغ الداكنة تعمل نفس العمل.
تتفرق (تتشتت) موجات الرادار بعدة أشكال اعتمادًا على طول الموجة وشكل الهدف. فإذا كان طول الموجة أقصر من حجم الهدف فإن الموجة سترتد باتجاهات متغايرة كالضوء على المرآة، وإذا كانت الموجة أطول من حجم الهدف فإن الهدف سيكون متقاطب (الشحنات الموجبة والسالبة منفصلة) مثل الاريال ثنائى الاقطاب. الرادارات المبكرة استخدمت موجات ذات أطوال عالية أطول من الهدف مما جعلها تستقبل إشارات مبهمة، لكن الحديثة منها تستخدم أطوال قصيرة جدا بحيث يمكنها التقاط أهداف بحجم رغيف الخبز. موجات الراديو القصيرة تنعكس من الزوايا والمنحنيات بطريقة مشابهة للمعان قطعة زجاج مدورة. الأهداف الأكثر انعكاسا للموجات القصيرة لها زوايا 90 درجة بين الأسطح المنعكسة، الجسم الذي يحتوي على 3 أسطح وتلتقي بزاوية واحدة كزاوية علبة تعكس الموجات الداخلة إليها مباشرة إلى المصدر وتسمى بالزوايا العاكسة وهذه الطريقة تستعمل لتسهيل الكشف الراداري وتوجد بالقوارب لتسهيل حالات الانقاذ وتقليل الاصضدامات كما بالصورة.

طريقة عمل الزوايا العاكسة

ولأسباب مشابهة هناك أهداف تحاول تجنب الكشف الراداري وذلك بعمل الزوايا لأجسامها بطريقة لمنع الكشف وتكون حوافها عمودية لاتجاه الكشف مما يقود لاتجاه العكس كما بطائرةالشبح ومع ذلك فإن التخفي لا يكون كاملا بسبب عامل الانحراف للموجات وخاصة للموجات الطويلة.

معادلة الرادار

كمية الطاقة للاشارة المرتدة إلى الرادار المرسل تعطى بالمعادلة التالية:

حيث أن

Pt = الطاقة المرسلة
Gt = زيادة إرسال الهوائي
Ar = مساحة الهوائي المرسل
σ = المقطع العرضي للرادار
F = عامل الانتشار
R = المسافةأو المدى بين المرسل والهدف

من المعادلة نرى أن كمية طاقة الاشارة المرتدة تضعف إلى مستوى أقل من ربع طاقة المدى مما يعني أن قوة الإشارة المستلمة تكون ضعيفة جدا.
عامل الانتشار=1 في حالة الفراغ و يعني إنه لا وجود لأي تشويش، وهذا العامل ينسب إلى تأثير الانتشار والتضليل وطبيعة البيئة المحيطة وحتى الفقدان خلال الطريق تؤخذ بالحسبان. بعض المعادلات الرياضية التي تطور الاشار الرادار تضيف تصنيف زمن التردد (المويجة) ويستخدم للأهداف المتحركة.

الضوضاء
إشارة الضوضاء هي مصدر داخلي من الاختلافات المتعددة للإشارة، وتشكلت إلى حد ما من قبل القطع الاكلترونية الداخلية. وهو مضاف بشكل عشوائى على الموجة المرتدة بالرادار المستقبل، كلما ضعفت الإشارة المستقبلة كلما زادت صعوبة تطهيرها من الضجيج، وأفضل مثال على ذلك هو السماع لهمس بجانب طريق مزدحم. لذلك من الأهمية تقليل تلك الضوضاء بتقليل عواملها، ويقاس تلك الضوضاء المنتجة داخل الجهاز المستقبل مقارنة مع الجهاز المثالي وكلما قلت الكمية المقروءة كلما كان الاستقبال أفضل.
هناك ضوضاء ذات مصدر خارجي ويكون عادة من الحرارة الطبيعية المحيطة بالهدف. أنظمة الرادار الحديثة تكون أجهزة الاستقبال ذات كفاءة بحيث أن الضوضاء الداخلية تكون بسيطة وأقل نسبة من الضوضاء الخارجية. وأيضا توجد الضوضاء المتقطعة، تظهر خلال مرور الالكترونات وتكون ذات علاقة عكسية مع الموجة بمعنى كلما زادت قوة الموجة كلما قلت تلك الضوضاء بشكل كبير، الرادار النبضي يستخدم النظام التمازجي بمعنى اقتران ترددين.

الموجة المزعجة

الموجة المزعجة أو الفوضوية يرجع مصدرها إلى موجة الراديو الحقيقية، وهي صدى لموجة تعود من الهدف ولكنها غير مرغوب بها من العامل بجهاز الرادار.

أنواع الأهداف التي تحتوي على الموجة الفوضوية:

أجسام طبيعية كالارض والبحر والمنتشرة كالمطر والثلج والاعاصيرالرملية والجوية والحيوانات والتأثير الغالاف الصغيرة وحتى منتوجات البشر كالبنايات أو مضاد الرادار كالشذرات والخدع الرادارية.

صورة لمرشد الموجة ويكون موضعه ما بين الإريال وجهاز المرسل المستقبل

موجات مزعجة كما بالصورة تظهر وتختفي

أهداف غير حقيقية أشباح أو خيال

هناك إزعاج يكون بسبب طول كبل مرشد الموجة waveguide ما بين جهاز المرسل-المستقبل transceiver وبين الهوائي، بشاشات الرادار ذات مبين الموقع الإسقاطي (plan position indicator (PPI)) عليها و رادارها الدوار، يكون هناك نقط أشبه بالومضات بمنتصف الشاشة تكون عادة بسبب صدى الغبار الذي يسبب تغيير بالإشارة الراديوية، معظم تلك الومضات تكون بسبب انعكاس الموجات المرسلة قبل خروجها من الهوائي. حتى نقلل من تلك الومضات نعيّر التوقيت ما بين لحظة الإرسال واللحظة التي يبدأ الاستقبال بالعمل.

بعض الموجات المزعجة تكون غير معرفة لبعض الرادارات، مثال على ذلك" غيوم الاعاصير" لا يتعرف عليها رادار الدفاع الجوى ولكنها معرفة برادارات الارصادالجوية بتلك الحالة تعتبر هذه الموجة سلبية بسبب عدم الحاجة لها. توجد عدة طرق لكشف وتحييد تلك الموجات التي تعتبر بتلك الحالة مزعجة، وتعتمد تلك الطرق على أن الموجة المزعجة تظهر ثابتة خلال الكشف الراداري لذلك عند مقارنة تسلسل صدىالكشف نرى الموجات المرغوبة تتحرك بينما جميع الصدى الثابت ستزال من الشاشة.

موجات البحر الفوضوية تقلل بواسطة الاستقطاب الأفقي والمطر يقلل بواسطة الاستقطاب الدائرى، يجب الملاحظة أنه بحالة رادار الأرصاد الجوية تلك الأشياء تكون مطلوبة لذلك يستعمل استقطاب الخط المستقيم لكشف المطر والبحر وغيرهما. هناك طريقة تسمى Constant False-Alarm Rate ثابت معدل الإنذارات الكاذبة شكل من ضبط الزيادة الأتوماتكية Automatic Gain Control وهي تعتمد على حقيقة أن صدى الموجات الفوضوية الراجعة أكثر بكثير من صدى الأهداف المرغوبة، لذلك زيادة الجهاز المستقبل سيعدل أتوماتيكيا للمحافظة على المعدل الثابت للموجات للفوضوية المرئية، وقد لايمكنه العمل بكفاءة في حالة استقبال هدف يكون مغلف بموجة فوضوية قوية ولكنه له المقدرة على تمييز مصدر الموجات القوية. بالسابق ضبط الزيادة الأتوماتيكي كان يتحكم إلكترونيا ويؤثر على الزيادة على إجمالي المستقبل، لكن حاليا ضبط الزيادة الأتوماتيكي اصبع مبرمج ويسيطر على الزيادة مع قابلية أكثر للتعديل للكشف عن خلايا محددة بالرادار.

هناك موجة فوضوية قد تنشأ من صدى ذو مسارات متعددة من هدف حقيقي وذلك بسبب الانعكاسات الأرضية والغلاف الجوي أو انعكاس الغلاف الأيوني، هذا النوع من الموجات الفوضوية مزعجة للبعض بسبب أنها تتحرك وتتصرف كهدف حقيقي، مما ينتج ما يسمى الاشباح او الخيال.

وستتصرف كالتالي: صدى الطائرة إلى الرادار هو انعكاس من عدة اتجاهات من الارض و من فوق الهدف يظهر بجهاز الاستقبال كهدف حقيقي تحت الهدف الأصلي قد يحاول الرادار أن يوحد الأهداف معطيا للهدف ارتفاع غير حقيقي أو قد يمنعها بالمرة وهو الأسوأ بسبب اختلاف المعطيات للهدف أو تطبيقات غير ممكنة. تلك المشاكل ممكن التغلب عليها بواسطة دمج الخريطة بالرادار ومنع جميع أنواع الصدى التي تظهر تحت الارض أو فوق ارتفاعمعين. الأنواع الحديثة من أجهزة الرادارات الأرضية للمطارات تستخدم االخوارزميات للتعرف على الأهداف المزيفة بواسطة مقارنة النبضات الآتية حديثا مع المجاورة معها، مثل حساب الراجع الغير محتمل مثل حساب الارتفاع والمسافة والتوقيت ما بين الإرسال والاستقبال.

هندسة الرادار

نظام الرادار يحتوي على العناصر التالية:

المرسل وهو الذي يولد إشارة الراديو مع المذبذب مثل الماجنترون ( وهو صمام إلكتروني مغناطيسي) و الكيلسترون ويتحكم بعمل الدورة بواسطة مغير الموجة modulator.
مرشد الموجة waveguide وهو متصل بالمرسل والمستقبل
المبدل التناوبي duplexer وهو -كما أسلفنا- يعمل على تناوب الهوائي ما بين إرسال واستقبال
المستقبل يعرف شكل الإشارة المستلمة أو(النبضة)، المستقبلات المثالية يكون لديها فلتر ملائم matched filter
الجزء الإلكتروني الذي يهيمن على المنظومة والهوائي لأداء المسح الراداري الذي يطلبه البرمجيات
وصلة المستخدم.

تصميم الهوائي

إشارة الموجة الراديوية التي تبث من الهوائي تنتشر بجميع الجهات، وبالمثل الهوائي الذي يستقبل الإشارات سيكون أيضا من جميع الجهات، تلك الطريقة ستوقع الرادار بمشكلة قرار تحديد موقع جسم الهدف.الأنظمة القديمة كانت تستخدم هوائي متعدد الاتجاهات omnidirectional antenna للبث مع هوائيات استقبال محددة الاتجاه، مثال على ذلك نظام Chain Home يستخدم هوائيان متعامدان للاستقبال كل هوائي بشاشة مختلفة، الاستقبال القصوى سيخرجه الهوائي الذي يكون متعامد على جسم الهدف، والاستقبال الأدنى سيكون من الهوائي الذي اتجاهه مباشرة عليه، بتلك الحالة عامل التشغيل سيعرف مكان الهدف بتحريك الهوائي فيكون شاشة تظهر جسم الهدف بوضوح بينما الأخرى تظهر أقل ما يمكن من الإشارات المستقبلة. أحد أوجه القصور المهمة مع هذا النوع من الحلول هو أن البث سيكون بجميع الاتجاهات، لذلك سيكون كمية الطاقة المفحوصة من المكان المطلوب قليلة وبالتالي للحصول على كمية معقولة من الطاقة الآتية من الهدف يفضل أن يكون هوائي الإرسال موجهة.

طبق نوع عاكس مكافئ القطع

عاكس مكافئ المقطع

الأنظمة الحديثة تستخدم طبق ذا توجيه مكافء المقطع لإنتاج حزمة بث قوية وكذلك المستقبل له طبق مماثل، مثل تلك الأنظمة تدمج ترددين بالهوائي المفرد للحصول على توجيه أوتوماتيكي أو ما يسمى غلق الرادار.

أنواع المسح

مسح أولي: تقنية المسح يقوم بحيث الهوائي الرئيسي يقوم بإنتاج حزمة المسح، مثال:المسح الدائري ومسح نطاقي والخ.
مسح ثانوي: تقنية مسح بحيث تغذية الهوائي تقوم بإنتاج حزمة المسح، مثال:المسح المخروطي، مسح مقطع أحادي الاتجاه.
مسح متقاطع أو نخيلي: تقنية المسح تنتج حزمة المسح من تحريك الهوائي مع عناصر تغذيته وهذا المسح عبارة عن دمج المسحين الأولي والثانوي.

مرشد الموجة المخروم

هوائي مرشد الموجة المخروم

استخدامه مثل استخدام العاكس مكافئ القطع، فهوائي مرشد الموجة المخروم ميكانيكى النقل وملائم لأنظمة مسح الأسطح الغير متابعة non-tracking surface scan systems حيث النمط العمودي يبقى ثابتا يستخدم بالسفن والمطارات ورادارات مراقبة الموانئ بسبب قلة الكلفة وأقل عرضة للرياح يفضل على الهوائي العاكس المكافئ.

المنظومة التدريجية

شكل آخر للرادارات تسمى منظومة الرادارية التدريجية، وتستخدم مجموعة من الهوائيات المتشابهة ومماثلة التباعد، حالةالاشارة لكل هوائي منفردة لذلك تكون لإشارة قوية بالاتجاه المطلوب وملغية بالاتجاهات الأخرى، فإذا كانت تلك الهوائيات المنفردة على مستوى واحد والإشارة تغذي الهوائيات كل على حدة في كل مرحلة، فإن الإشارة ستكون قوية بالاتجاه العمودي للسطح المستوي. وبتغيير الشكل النسبي للإشارة المغذاة لكل هوائي فإن اتجاه الحزمة سيتحرك لأن اتجاه التداخل البناء سيتحرك، ولأن رادار المنظومة التدريجية لا يتطلب حركة للمسح فالحزمة يمكنها مسح آلاف الدرجات بالثانية الواحدة وبسرعة كافية للإشعاع وتتبع أهداف كثيرة، وتدير مدى واسع من البحث بكل مرحلة. ببساطة يمكن تشغيل بعض الهوائيات وإطفائها والحزمة يمكنها الانتشار للبحث والتضييق لمتابعة الهدف، أو حتى تنشطر إلى رادارين حقيقين أو أكثر، ولكن الشعاع لايمكن توجيهه بشكل فعال على زوايا صغيرة بأسطح المصفوفات، ولأجل تغطية شاملة فالمصفوفات المتعددة مطلوبة كلها. التوزيع المثالي لها هو على أوجهمثلث هرمى (كما بالصورة).

رادار المنظومة التدريجية

رادارات المنظومة التدريجية كانت تستخدم منذ بدايات المراحل الأولى للرادار أيام الحربالعالمية الثانية ولكن محدودية الانظمة الالكترونية أدت إلى خلل بالدقة. وهي حاليا تستخدم بالصورايخ الدفاعية وهو نظام الدرع الوقائي الموجود بالسفن وأنظمة صوارخ الباتريوت. وحاليا استخدام ذلك النظام بازدياد بسبب قلة القطع المتحركة مما يجعلها أكثر منطقية، وأحيانا أخرى يسمح بوجود هوائيات أضخم، وهو مفيد لاستخدامات الطائرات المقاتلة حيث تعطي مساحة ضيقة للنقل الميكانيكي.
بما أن أسعار البرمجيات والإلكترونيات هبطت فإن ذلك النظام أصبح أكثر شمولية، فتقريبا جميع أنظمة الرادار العسكرية الحديثة تعتمد على المنظومة الرادارية التدريجية، ومع ذلك لا تزال الهوائيات المتحركة التقليدية منتشرة على نطاق واسع والسبب هو رخص السعر وهو موجود بمراقبة الملاحة الجوية ورادار الطائرات المدنية وغيرها.
هذا النظام له قيمة وأهمية بسبب أنه يمكنه تتبع أكثر من هدف، أول طائرة استعملت هذا النظام هي بي-بي1 لانسر. وأول مقاتلة تستخدم تلك المنظومة الرادارية زاسلون SBI-16 Zaslon هي طائراتميج 31، وتعتبر واحدة من أفضل أنظمة الرادار المحمولة جوا.