ما هو RADAR: الأساسيات والأنواع والتطبيقات

ما هو RADAR: الأساسيات والأنواع والتطبيقات

يمكننا أن نلاحظ أشياء مختلفة حول العالم. وبالمثل ، يتم استخدام نظام الكشف الراديوي والمدى الشبيه بالرادار لمساعدة الطيارين أثناء الطيران عبر الضباب لأن الطيار لا يمكنه ملاحظة ذلك حيث يسافرون. يشبه الرادار المستخدم في الطائرات مصباحًا كهربائيًا يعمل مع موجات الراديو بدلاً من الضوء. تنقل الطائرة إشارة رادار وامضة وتستمع إلى أي إشارات لتلك الإشارة من الأجسام القريبة. بمجرد ملاحظة المؤشرات ، تحدد الطائرة شيئًا ما قريبًا وتستغل الوقت الذي تستغرقه المؤشرات للوصول لاكتشاف مدى بعده. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على الرادار وعمله.



من اخترع الرادار؟

على غرار العديد من الاختراعات ، ليس من السهل منح الفضل في نظام الرادار للفرد لأنه كان نتيجة عمل سابق على خصائص الكهرومغناطيسي الإشعاع لإمكانية الوصول إلى العديد من الأجهزة الإلكترونية. تزداد مسألة القلق الرئيسي تعقيدًا بسبب إخفاء الخصوصية العسكرية التي تم بموجبه اختبار تقنيات تحديد المواقع الراديوية في بلدان مختلفة في الأيام الأولى من الحرب العالمية الثانية.


خلص كاتب المراجعة هذا أخيرًا إلى أنه عندما يكون نظام الرادار حالة واضحة للإنشاء المباشر ، فإن ملاحظة روبرت واتسون وات حول اكتشاف الطائرات وموقعها بواسطة طرق الراديو نُشرت على الفور قبل 50 عامًا. لذلك كان أهم منشور منفرد في هذا المجال. خصص الإنجاز البريطاني في معركة بريطانيا الكثير لتوسيع نظام الرادار الذي تضمن النمو التقني مع الجدوى التشغيلية.





ما هو نظام الرادار؟

RADAR تعني كشف الراديو ونظام المدى. إنه في الأساس نظام كهرومغناطيسي يستخدم لاكتشاف موقع ومسافة الجسم من النقطة التي يتم فيها وضع RADAR. إنه يعمل عن طريق إشعاع الطاقة في الفضاء ومراقبة صدى الإشارات أو الإشارة المنعكسة من الكائنات. تعمل في نطاق الموجات فوق العالية والموجات الدقيقة.

الرادار عبارة عن مستشعر كهرومغناطيسي يستخدم لملاحظة وتتبع وتحديد موقع وتحديد الأشياء المختلفة الموجودة على مسافات معينة. عمل الرادار هو أنه ينقل الطاقة الكهرومغناطيسية في اتجاه الأهداف لمراقبة الأصداء والعودة منها. الأهداف هنا ليست سوى السفن والطائرات والأجسام الفلكية ومركبات السيارات والمركبات الفضائية والمطر والطيور والحشرات وما إلى ذلك ، فبدلاً من ملاحظة موقع الهدف وسرعته ، فإنه يحصل أيضًا على شكله وحجمه في بعض الأحيان.



الهدف الرئيسي للرادار بالمقارنة مع أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء والبصرية هو اكتشاف الأهداف البعيدة في ظل ظروف مناخية صعبة وتحديد المسافة والمدى بدقة. يحتوي الرادار على جهاز إرسال خاص به والذي يُعرف بأنه مصدر الإضاءة لتحديد الأهداف. بشكل عام ، يعمل في منطقة الميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي المحسوب بالهرتز عندما تمتد الترددات من 400 ميجاهرتز إلى 40 جيجاهرتز. المكونات الأساسية التي يستخدمها الرادار


يخضع الرادار لتطور سريع خلال الأعوام من 1930 إلى الأربعينيات للوصول إلى متطلبات الجيش. لا يزال يستخدم على نطاق واسع من خلال القوات المسلحة ، حيث تم إنشاء العديد من التطورات التكنولوجية. في نفس الوقت ، يستخدم الرادار أيضًا في التطبيقات المدنية خاصة في التحكم في الحركة الجوية ، ومراقبة الطقس ، وملاحة السفن ، والبيئة ، والاستشعار من المناطق النائية ، ومراقبة الكواكب ، وقياس السرعة في التطبيقات الصناعية ، ومراقبة الفضاء ، وإنفاذ القانون ، إلخ.

مبدأ العمل

ال مبدأ عمل الرادار بسيط للغاية لأنه ينقل الطاقة الكهرومغناطيسية وكذلك يفحص الطاقة المعادة إلى الهدف. إذا تم استقبال الإشارات المرتجعة مرة أخرى في موقع مصدرها ، فإن هناك عائقًا في طريق الإرسال. هذا هو مبدأ عمل الرادار.

أساسيات الرادار

يتكون نظام RADAR بشكل عام من جهاز إرسال ينتج إشارة كهرومغناطيسية تشع في الفضاء بواسطة هوائي. عندما تصطدم هذه الإشارة بجسم ما ، فإنها تنعكس أو يعاد إشعاعها في اتجاهات عديدة. هذه الإشارة المنعكسة أو الصدى يستقبلها هوائي الرادار الذي يسلمها إلى المستقبل ، حيث تتم معالجتها لتحديد الإحصائيات الجغرافية للكائن.

يتم تحديد النطاق من خلال حساب الوقت الذي تستغرقه الإشارة للانتقال من RADAR إلى الهدف والعودة. يقاس موقع الهدف بزاوية ، من اتجاه إشارة صدى السعة القصوى ، يشير الهوائي إلى. لقياس مدى وموقع الأجسام المتحركة ، يتم استخدام تأثير دوبلر.

تشمل الأجزاء الأساسية لهذا النظام ما يلي.

  • جهاز ارسال: يمكن أن يكون مضخم طاقة مثل Klystron ، أو أنبوب الموجة المتنقلة ، أو مذبذب طاقة مثل Magnetron. يتم إنشاء الإشارة أولاً باستخدام مولد الموجي ثم تضخيمها في مضخم الطاقة.
  • موجهات الموجات: الموجهات الموجية هي خطوط نقل لنقل إشارات RADAR.
  • هوائي: يمكن أن يكون الهوائي المستخدم عاكسًا مكافئًا أو مصفوفات مستوية أو صفيفات مرحلية موجهة إلكترونيًا.
  • مزدوج: تسمح وحدة الإرسال على الوجهين باستخدام الهوائي كجهاز إرسال أو جهاز استقبال. يمكن أن يكون جهازًا غازيًا ينتج عنه دائرة كهربائية قصيرة عند مدخل جهاز الاستقبال عندما يعمل جهاز الإرسال.
  • المتلقي: يمكن أن يكون جهاز استقبال متغاير فائق أو أي جهاز استقبال آخر يتكون من معالج لمعالجة الإشارة واكتشافها.
  • قرار العتبة: تتم مقارنة خرج جهاز الاستقبال بعتبة لاكتشاف وجود أي كائن. إذا كان الناتج أقل من أي عتبة ، فيفترض وجود ضوضاء.

كيف يستخدم الرادار الراديو؟

بمجرد وضع الرادار على متن سفينة أو طائرة ، فإنه يتطلب مجموعة أساسية مماثلة من المكونات لإنتاج إشارات الراديو ، وإرسالها إلى الفضاء واستقبالها عن طريق شيء ما ، وأخيراً عرض المعلومات لفهمها. المغنطرون هو نوع واحد من الأجهزة ، يستخدم لتوليد إشارات الراديو التي يتم استخدامها من خلال الراديو. تشبه هذه الإشارات إشارات الضوء لأنها تنتقل بنفس السرعة ولكن إشاراتها أطول بكثير مع ترددات أقل.

يبلغ الطول الموجي لإشارات الضوء 500 نانومتر ، بينما تتراوح الإشارات الراديوية التي يستخدمها الرادار عادةً من سنتيمترات إلى أمتار. في الطيف الكهرومغناطيسي ، تتكون كل من الإشارات مثل الراديو والضوء بتصميمات متغيرة من الطاقة المغناطيسية والكهربائية في جميع أنحاء الهواء. يولد المغنطرون الموجود في الرادار أفران ميكروويف مماثلة لفرن الميكروويف. الاختلاف الرئيسي هو أن المغنطرون داخل الرادار يجب أن يرسل الإشارات عدة أميال ، بدلاً من مجرد مسافات صغيرة ، لذلك فهو أقوى وأكبر من ذلك بكثير.

كلما تم إرسال إشارات الراديو ، يعمل الهوائي كجهاز إرسال لإرسالها في الهواء. بشكل عام ، يكون شكل الهوائي منحنيًا بحيث يركز بشكل أساسي على الإشارات في إشارة دقيقة وضيقة ، ولكن هوائيات الرادار تدور أيضًا بشكل طبيعي حتى تتمكن من ملاحظة الإجراءات على مساحة ضخمة.

تنتقل الإشارات اللاسلكية للخارج من الهوائي بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية حتى تضرب شيئًا ما ويعود بعضها إلى الهوائي. في نظام الرادار ، هناك جهاز أساسي وهو جهاز الطباعة على الوجهين. يستخدم هذا الجهاز لتغيير الهوائي من جانب إلى آخر بين المرسل والمستقبل.

أنواع الرادار

هناك أنواع مختلفة من الرادارات والتي تشمل ما يلي.

رادار بستاتيك

يشتمل هذا النوع من أنظمة الرادار على مرسل Tx وجهاز استقبال Rx مقسم من خلال مسافة تعادل المسافة المقدرة للجسم. يقع جهاز الإرسال والاستقبال في وضع مماثل يسمى الرادار الرهباني بينما يستخدم السطح البعيد المدى للغاية من سطح إلى جو وجو إلى جو رادار ثنائي القطب.

رادار دوبلر

هو نوع خاص من الرادار يستخدم تأثير دوبلر لتوليد سرعة البيانات فيما يتعلق بالهدف على مسافة معينة. يمكن الحصول على ذلك عن طريق إرسال إشارات كهرومغناطيسية في اتجاه كائن ما بحيث يحلل كيف أثر عمل الجسم على تردد الإشارة المرتدة.

سيعطي هذا التغيير قياسات دقيقة للغاية للمكوِّن الشعاعي لسرعة الجسم ضمن علاقته بالرادار. تشمل تطبيقات هذه الرادارات صناعات مختلفة مثل الأرصاد الجوية والطيران والرعاية الصحية وما إلى ذلك.

رادار النبضات الأحادية

يقارن هذا النوع من أنظمة الرادار الإشارة التي تم الحصول عليها باستخدام نبضة رادار معينة بجوارها عن طريق تباين الإشارة كما لوحظ في العديد من الاتجاهات بخلاف الاستقطاب. أكثر أنواع الرادار أحادية النبض شيوعًا هو رادار المسح المخروطي. يقوم هذا النوع من الرادار بتقييم العائد من طريقتين لقياس موضع الكائن مباشرة. من المهم ملاحظة أن الرادارات التي تم تطويرها في عام 1960 هي رادارات أحادية النبض.

الرادار السلبي

تم تصميم هذا النوع من الرادار بشكل أساسي لملاحظة الأهداف ومتابعتها من خلال معالجة المؤشرات من الإضاءة داخل المناطق المحيطة. تشمل هذه المصادر إشارات الاتصال وكذلك البث التجاري. يمكن تصنيف هذا الرادار في نفس فئة الرادار ثنائي السكون.

رادار الأجهزة

تم تصميم هذه الرادارات لاختبار الطائرات والصواريخ والصواريخ وما إلى ذلك. وهي تعطي معلومات مختلفة بما في ذلك المكان والموقع والوقت في تحليل ما بعد المعالجة وفي الوقت الفعلي.

رادارات الطقس

تستخدم هذه للكشف عن الاتجاه والطقس باستخدام إشارات الراديو من خلال الاستقطاب الدائري أو الأفقي. يعتمد اختيار تردد رادار الطقس بشكل أساسي على تسوية الأداء بين التوهين وكذلك انعكاس الهواطل كنتيجة لبخار الماء في الغلاف الجوي. تم تصميم بعض أنواع الرادارات بشكل أساسي لاستخدام إزاحة دوبلر لحساب سرعة الرياح بالإضافة إلى الاستقطاب المزدوج للتعرف على أنواع هطول الأمطار.

رادار الخرائط

تستخدم هذه الرادارات بشكل أساسي لفحص منطقة جغرافية كبيرة لتطبيقات الاستشعار عن بعد والجغرافيا. نتيجة للرادار ذي الفتحة الاصطناعية ، يقتصر هذا على أهداف ثابتة تمامًا. هناك بعض أنظمة الرادار الخاصة المستخدمة لاكتشاف البشر بعد الجدران والتي تكون أكثر اختلافًا مقارنةً بتلك الموجودة في مواد البناء.

الرادارات الملاحية

بشكل عام ، هذه هي نفسها لرادارات البحث ولكنها متوفرة بأطوال موجية صغيرة قادرة على التكاثر من الأرض ومن الحجارة. تستخدم هذه بشكل شائع في السفن التجارية وكذلك طائرات المسافات الطويلة. هناك رادارات ملاحية مختلفة مثل الرادارات البحرية التي يتم وضعها بشكل شائع على السفن لتجنب الاصطدام وكذلك الأغراض الملاحية.

الرادار النبضي

يرسل RADAR النبضي نبضات عالية الطاقة وعالية التردد نحو الجسم المستهدف. ثم ينتظر إشارة الصدى من الجسم قبل إرسال نبضة أخرى. يعتمد مدى ودقة الرادار على تردد تكرار النبض. يستخدم طريقة دوبلر التحول.

يعمل مبدأ RADAR للكشف عن الأجسام المتحركة باستخدام إزاحة دوبلر على حقيقة أن إشارات الصدى من الأجسام الثابتة في نفس المرحلة وبالتالي يتم إلغاؤها بينما إشارات الصدى من الأجسام المتحركة ستحدث بعض التغييرات في المرحلة. تصنف هذه الرادارات إلى نوعين.

نبض دوبلر

ينقل تردد تكرار النبض العالي لتجنب غموض دوبلر. يتم خلط الإشارة المرسلة وإشارة الصدى المستقبلة في كاشف للحصول على تحول دوبلر ويتم تصفية إشارة الفرق باستخدام مرشح دوبلر حيث يتم رفض إشارات الضوضاء غير المرغوب فيها.

رسم تخطيطي للدوبلر النبضي الرادار

رسم تخطيطي للدوبلر النبضي الرادار

مؤشر الهدف المتحرك

ينقل تردد تكرار النبض المنخفض لتجنب غموض النطاق. في نظام MTI RADAR ، يتم توجيه إشارات الصدى المستلمة من الكائن نحو الخلاط ، حيث يتم مزجها مع الإشارة من مذبذب محلي ثابت (STALO) لإنتاج إشارة IF.

يتم تضخيم إشارة IF هذه ثم إعطاؤها إلى كاشف الطور حيث تتم مقارنة طورها مع طور الإشارة من المذبذب المتماسك (COHO) ويتم إنتاج إشارة الاختلاف. الإشارة المتماسكة لها نفس مرحلة إشارة جهاز الإرسال. يتم خلط الإشارة المتماسكة وإشارة STALO وإعطائها لمضخم الطاقة الذي يتم تشغيله وإيقافه باستخدام معدل النبض.

MTI Radar

MTI Radar

موجة مستمرة

لا تقيس الموجة المستمرة RADAR نطاق الهدف ولكن معدل تغير النطاق عن طريق قياس انزياح دوبلر لإشارة العودة. في CW RADAR ، ينبعث الإشعاع الكهرومغناطيسي بدلاً من النبضات. يستخدم اساسا ل قياس السرعة .

يتم خلط إشارة التردد اللاسلكي وإشارة IF في مرحلة الخلاط لتوليد تردد مذبذب محلي. ثم يتم إرسال إشارة التردد اللاسلكي وتتكون الإشارة المستقبلة بواسطة هوائي RADAR من تردد التردد اللاسلكي بالإضافة إلى تردد إزاحة دوبلر. يتم خلط الإشارة المستقبلة مع تردد مذبذب محلي في مرحلة الخليط الثانية لتوليد إشارة تردد IF.

يتم تضخيم هذه الإشارة وإعطاؤها لمرحلة الخليط الثالثة حيث يتم مزجها مع إشارة IF للحصول على الإشارة بتردد دوبلر. يعطي تردد دوبلر أو انزياح دوبلر معدل تغير نطاق الهدف وبالتالي يتم قياس سرعة الهدف.

مخطط كتلة يظهر CW RADAR

مخطط كتلة يظهر CW RADAR

معادلة نطاق الرادار

هناك أنواع مختلفة من الإصدارات المتاحة لمعادلات نطاق الرادار. هنا ، المعادلة التالية هي واحدة من الأنواع الأساسية لنظام الهوائي الوحيد. عندما يُفترض أن الكائن موجود في منتصف إشارة الهوائي ، يمكن كتابة أعلى نطاق للكشف عن الرادار

Rmax = 4√Pt λ2G2σ / (4π) 3Pmin

= 4√Pt C2G2σ / fo2 (4π) 3Pmin

'Pt' = نقل الطاقة

'Pmin' = أدنى إشارة يمكن اكتشافها

'λ' = الطول الموجي للإرسال

'σ' = المقطع العرضي للرادار المستهدف

'fo' = التردد بالهرتز

'G' = اكتساب هوائي

'C' = سرعة الضوء

في المعادلة أعلاه ، المتغيرات مستقرة وكذلك تعتمد على الرادار بعيدًا عن الهدف مثل RCS. سيكون ترتيب قدرة الإرسال 1 ميجاوات (0 ديسيبل) وكسب الهوائي حوالي 100 (20 ديسيبل) لـ ERP (قدرة مشعة فعالة) تبلغ 20 ديسيبل مللي واط (100 مللي واط). ترتيب الإشارات الأقل وضوحًا هو البيكوات وقد يكون نظام التحكم عن بعد (RCS) للمركبة 100 متر مربع.

لذا ، فإن دقة معادلة نطاق الرادار ستكون بيانات الإدخال. يعتمد Pmin (الحد الأدنى للإشارة الملحوظة) بشكل أساسي على عرض النطاق الترددي للمستقبل (B) و F (عامل الضوضاء) و T (درجة الحرارة) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (S / N) الضرورية (نسبة الإشارة إلى الضوضاء).

سيكون جهاز الاستقبال ذو النطاق الترددي الضيق أكثر استجابة مقارنة بمستقبل BW عريض. يمكن تعريف عامل الضوضاء على أنه حساب لمقدار الضوضاء التي يمكن للمستقبل أن يساهم بها في الإشارة. عندما يكون رقم الضوضاء أقل ، ستقل الضوضاء التي يتبرع بها الجهاز. عندما ترتفع درجة الحرارة ، فإنها ستؤثر على حساسية المستقبل من خلال ارتفاع ضوضاء الدخل.

Pmin = k T B F (S / N) دقيقة

من المعادلة أعلاه ،

'Pmin' هي أقل إشارة يمكن اكتشافها

'k' هو ثابت بولتزمان مثل 1.38 x 10-23 (واط * ثانية / درجة كلفن)

'T' درجة حرارة (° كلفن)

'B' هو عرض النطاق الترددي لجهاز الاستقبال (هرتز)

'F' هو رقم الضوضاء (ديسيبل) ، عامل الضوضاء (النسبة)

(S / N) دقيقة = أقل نسبة S / N

يمكن أن تكون طاقة الضوضاء الحرارية المتوفرة i / p متناسبة مع kTB حيثما يكون 'k' هو ثابت Boltzmann ، و 'T' هو درجة الحرارة و 'B' هو عرض النطاق الترددي لضوضاء المستقبل بالهرتز.

T = 62.33 درجة فهرنهايت أو 290 درجة كلفن

ب = 1 هرتز

كيلو بايت = -174 ديسيبل ميلي واط / هرتز

يمكن كتابة معادلة مدى الرادار أعلاه للقدرة المستقبلة مثل نطاق من الوظائف لقدرة الإرسال المقدمة وكسب الهوائي و RCS وطول الموجة.

الدقة = Pt λ2G2σ / (4π) 3R4max = Pt C2G2σ / (4π) 3R4fo2

الدقة = PtG2 (λ / 4π) 2 σ / 4πR2

من المعادلة أعلاه ،

'الدقة' هي القوة المستلمة

'Pt' هي قوة الإرسال

'fo' هو تردد الإرسال

'λ' هو الطول الموجي للإرسال

'G' هو كسب الهوائي

'σ' هو المقطع العرضي للرادار

'R' هو النطاق

'ج' هي سرعة الضوء

التطبيقات

ال تطبيقات الرادار تشمل ما يلي.

التطبيقات العسكرية

لها 3 تطبيقات رئيسية في الجيش:

  • في الدفاع الجوي ، يتم استخدامه لاكتشاف الهدف والتعرف على الهدف والتحكم في السلاح (توجيه السلاح إلى الأهداف المتعقبة).
  • في نظام صاروخي لتوجيه السلاح.
  • تحديد مواقع العدو على الخريطة.

مراقبة الملاحة الجوية

لها 3 تطبيقات رئيسية في مراقبة الحركة الجوية:

  • للسيطرة على الحركة الجوية بالقرب من المطارات. يستخدم Air Surveillance RADAR لاكتشاف وعرض موقع الطائرة في مباني المطار.
  • لتوجيه الطائرة للهبوط في طقس سيئ باستخدام Precision Approach RADAR.
  • لمسح سطح المطار بحثًا عن مواقع الطائرات والمركبات الأرضية

الاستشعار عن بعد

يمكن استخدامه لمراقبة مواقع الكواكب أو مراقبتها ومراقبة الجليد البحري لضمان مسار سلس للسفن.

مراقبة الحركة الأرضية

كما يمكن استخدامه من قبل شرطة المرور لتحديد سرعة المركبة والتحكم في حركة المركبات من خلال إعطاء تحذيرات حول وجود مركبات أخرى أو أي عوائق أخرى خلفها.

فضاء

لديها 3 تطبيقات رئيسية

  • لتوجيه المركبة الفضائية من أجل هبوط آمن على سطح القمر
  • لمراقبة أنظمة الكواكب
  • لكشف وتتبع الأقمار الصناعية
  • لرصد الشهب

لذلك ، لقد قدمت الآن أساسيات فهم الرادار ، ماذا عن تصميم مشروع بسيط يتضمن RADAR؟

اعتمادات الصورة