Radar

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Radar dalekiego zasięgu - antena paraboliczna (o średnicy 40m) może obracać się umożliwiając obserwację aktywności w pobliżu horyzontu.

Radar dalekiego zasięgu – urządzenie służące do wykrywania za pomocą wiązki mikrofal lub fal radiowych obiektów powietrznych, nawodnych oraz lądowych takich jak: samoloty, śmigłowce, rakiety, statki (również chmury oraz interesujące nas obiekty terenowe), pozwalające na określenie kierunku, odległości a także wielkości obiektu, a w radarach dopplerowskich także, do pomiarów prędkości wykrywanego obiektu.

Radar to słowo utworzone na początku lat czterdzietych XX w. z pierwszych liter angielskiego terminu "Radio Detection And Ranging" (detekcja oraz wyznaczanie odległości za pomocą fal radiowych). Wcześniejszy termin brytyjski RDF (Radio Direction Finding) został zastąpiony jego amerykańskim odpowiednikiem, który przyjął się w wielu językach.

Do detekcji obiektów wykorzystuje się zjawisko odbicia fal radiowych (najczęściej w tym celu wykorzystuje się pasmo mikrofal) od wykrywanych obiektów lub fale wysyłane przez te obiekty. W radarze aktywnym nadajnik radaru emituje wiązkę promieniowania oświetlającą badany obszar, sygnał jest odbijany od nieprzeźroczystego dla fal radiowych obiektu i odbierany w odbiorniku znajdującym się zazwyczaj w tym samym miejscu co nadajnik. Radar pasywny nie emituje promieniowania a jedynie odbiera promieniowanie wysyłane w celach komunikacyjnych przez samoloty, a w astronomii przez obiekty kosmiczne. Docierający do odbiornika sygnał jest bardzo słaby, dlatego trzeba konstruować odpowiednie anteny i odbiorniki umożliwiające określenie kierunku, natężenia fali i jej inne parametry.

Urządzenia radarowe mają obecnie wiele zastosowań, tj.: w meteorologii do wykrywania chmur burzowych, kontroli ruchu lotniczego, morskiego, prędkości poruszających się pojazdów przez policję oraz w wojsku.

Spis treści

1 Historia
2 Zasada działania
3 Przetwarzanie sygnału echa
- 3.1 Pomiar odległości
  - 3.1.1 Czas przejścia
4 Linki zewnętrzne

[edytuj] Historia

Po raz pierwszy fal radiowych do detekcji obiektów metalowych użył w 1904 r. Christian Hülsmeyer, który zademonstrował możliwość wykrycia statku w gęstej mgle. Jego poprzednik radaru otrzymał niemiecki patent nr 165546. Do rozwoju prac nad radarem przyczyniły się tuż przed II wojną światową prace amerykańskich, francuskich, niemieckich, węgierskich oraz brytyjskich naukowców nad wytwarzaniem i odbiorem mikrofal. Wojna przyspieszyła zdecydowanie pracę nad projektem. Opracowano wiele innowacyjnych rozwiązań umożliwiających skuteczniejszą detekcję obiektów. Pierwsze instalacje radarowe stanęły na zamówienie rządu Wielkiej Brytanii tuż przed II wojną światową w celach militarnych.

[edytuj] Zasada działania

[edytuj] Zjawisko odbicia

Amerykański samolot F-117 wykonany w technologii stealth.

Fale elektromagnetyczne podlegają zjawisku odbicia oraz rozproszenia w przypadku natknięcia się na zmianę w środowisku dielektrycznym czy diamagnetycznym, w którym się rozchodzą. Może to być ciało stałe w powietrzu, cieczy czy innym otaczającym je ośrodku o znacznie mniejszej gęstości, w którym rozchodzi się promieniowanie. Jest to szczególnie zauważalne w przypadku obiektów wykonanych z materiałów, będących przewodnikami elektrycznymi, takich jak: metale czy włókna węglowe, czyniąc radar urządzeniem wyjątkowo dobrze nadającym się do wykrywania samolotów czy statków. Materiały absorbujące promieniowanie mikrofalowe emitowane przez radar, zawierające składniki rezystywne a czasami magnetyczne są często wykorzystywane przy budowie pojazdów wojskowych. Typowym tego przykładem jest amerykańska technologia stealth wykorzystana przy konstrukcji samolotów F-117 oraz B-2. Obiekty wykonane w tej technologii nie są dla promieniowania elektromagnetycznego "przeźroczyste" a jedynie ich "dziwny" kształt oraz powłoka wykonana z absorbującego promieniowanie mikrofalowe materiału powodują, że odbita wiązka radarowa dociera do odbiornika o dużo mniejszej mocy niż zwykle, i to sprawia, że są one trudne do wykrycia.

Fale radiowe odbijają się w różny sposób w zależności od długości fali, kształtu oraz skutecznej powierzchni odbicia obiektu. Jeśli długość fali będzie dużo mniejsza od wielkości obiektu, to ten przypadek możemy przyrównać z odbiciem wiązki światła padającej na lustro. Natomiast jeśli mamy do czynienia z odwrotną sytuacją, kiedy to długość fali jest znacznie większa od długości obiektu, wtedy dochodzi do tzw. zjawiska polaryzacji fali (składowe fali są odseparowane), podobnie jak w dipolu. Zjawisko to jest opisane jako rozpraszanie Rayleigha, w efekcie którego możemy zobaczyć np. błękit ziemskiego nieba czy zachód słońca kolorujący niebo na czerwono. W przypadku porównywalnych długości fali elektromagnetycznej oraz oświetlanego obiektu może dojść do zjawiska rezonansu. Pierwsze radary używały fal radiowych o bardzo dużej długości (metrowe i dłuższe) i w konsekwencji otrzymywano nieprecyzyjny sygnał odpowiedzi, podczas gdy we współczesnych urządzeniach używa się fal o mniejszej długości (decymetrowe i krótsze), dzięki czemu można wykrywać oraz określać parametry obiektów o stosunkowo małej powierzchni.

Krótkie fale radiowe odbijają się od zakrzywionych powierzchni oraz wszelkiego rodzaju kantów w podobny sposób jak błysk światła odbija się od zaokrąglonych szklanych elementów. Powierzchnie idealnie odbijające fale krótkie są nachylone względem siebie pod kątem 90°. Struktura posiadająca trzy płaskie powierzchnie łączące się ze sobą pod kątem prostym będzie zawsze obijać fale bezpośrednio do źródła promieniowania. Wykorzystując tę właściwość skonstruowano tzw. rożki odbijające, które często są używane jako reflektory radarowe w pewnego rodzaju obiektach, czyniąc je łatwiejszymi do wykrycia. Ma to istotne znaczenie szczególnie w żegludze, gdzie obiekty posiadające małą skuteczną powierzchnię odbicia (np. jachty) lub istotne dla nawigacji (np. mosty na kanałach), mogą być widoczne na ekranie wskaźników dużych statków, co ma na celu oczywiście podniesienie poziomu bezpieczeństwa poprzez uniknięcie przypadkowych kolizji. Z tego samego powodu unika się tego typu powierzchni oraz wszelkiego rodzaju wystających elementów podczas konstruowania obiektów typu stealth. To zabezpieczenie nie eliminuje w stu procentach odbicia fal z powodu zjawiska dyfrakcji, szczególnie kiedy używa się fal o większej długości. Pręty czy paski o długości równej połowie długości fali wykonane z przewodzącego prąd materiału, takie jak paski folii rozrzucane przez samolot w celu uniknięcia namierzenia przez wiązkę radarową rakiety, bardzo dobrze odbijają padające na nie promieniowanie, rozpraszając je w kierunku różnym od tego, na jakim znajduje się źródło sygnału. Rozmiar powierzchni, jaką obiekt odbija padające na niego promieniowanie jest opisywane przez tzw. skuteczną powierzchnię odbicia.

[edytuj] Równanie zasięgu radaru

Moc powracająca do anteny odbiorczej radaru P_r jest opisywana równaniem:

$P_o = {{P_n G_n A_o \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_n^2R_o^2L^2}}$

gdzie*'

P_n = moc nadajnika
G_n = zysk anteny nadawczej
A_o = skuteczna apertura (powierzchnia) anteny odbiorczej
σ = skuteczna powierzchnia odbicia
F = współczynnik propagacji
R_n = odległość pomiędzy nadajnikiem a celem
R_o = odległość pomiędzy celem a odbiornikiem
L = współczynnik tłumienia na trasie sygnału nadajnik-cel-odbiornik.

W przypadku, kiedy nadajnik i odbiornik są umieszczone w tym samym miejscu, R_n = R_o i oznaczenie R_n² R_o² może być zastąpione przez R⁴, gdzie R oznacza zasięg. W ten sposób otrzymujemy:

$P_o = {{P_n G_n A_o \sigma}\over{{(4\pi)}^2 R^4L^2}}$

Równanie to pokazuje, że moc odebrana jest odwrotnie proporcjonalna do zasięgu, który jest w mianowniku aż w czwartej potędze. Oznacza to na przykład, że przy dwukrotnym zwiększeniu odległości od celu, moc, jaka dostanie się na wejście odbiornika, będzie 16 razy mniejsza. W miarę wzrostu odległości do celu mamy do czynienia z znaczącym spadkiem mocy fali, która wraca po odbiciu się od niego.

Stosowane jest dla powyższego równania pewne uproszczenie, a mianowicie przyjmujemy, że F = 1 w przypadku próżni bez występowania zjawiska interferencji. Współczynnik propagacji jest efektem występowania zjawiska cienia oraz strat zależnych od wielu czynników środowiskowych. W rzeczywistych warunkach powinien być uwzględniany efekt strat sygnału.

Inne rozwiązania matematyczne są stosowane w procesie obróbki sygnałowej, włączając w to analizę czasowo-częstotliwościową.

[edytuj] Polaryzacja

Fala wysyłana przez nadajnik radaru może być spolaryzowana. W zależności od rodzaju obiektu, którego oczekuje się, używane są różne polaryzacje: pionowa, pozioma, eliptyczna, bądź kołowa, której używa się w celu minimalizacji zjawiska interferencji zachodzącej w czasie deszczu. Podczas odbicia sygnał zmienia stan polaryzacji w zależności od tego czy odbijającą substancją jest gładka powierzchnia metalu czy dielektryka, także powierzchnia o chropowatości porównywalnej z długością fali. Polaryzacja liniowa pozwala na detekcję powierzchni metalowych, ułatwia również wykrywanie deszczu. Wracająca fala o polaryzacji losowej wskazuje na chropowatą powierzchnię, jak skały czy ziemia i jest wykorzystywana przez radary nawigacyjne, pracujące tuż przy horyzoncie, do odróżnienia sygnału odbitego od samolotu i ziemi.

[edytuj] Interferencja

Interferencja sygnału powstaje w wyniku rozchodzenia się sygnału różnymi drogami.

[edytuj] Szumy

Szumy są wewnętrznym źródłem przypadkowych wahań wartości sygnału użytecznego. Są generowane przez wszystkie podzespoły elektroniczne. Typowe szumy pojawiają się jako losowe zmiany nakładające się na sygnał odpowiedzi w odbiorniku radaru. Im mniejsza moc sygnału odbieranego tym trudniej jest go wyróżnić na tle szumów urządzenia. Dlatego najważniejsze źródła szumów pojawiają się w odbiorniku i wiele wysiłku wkładane jest w minimalizację tego czynnika. Wielkość szumów jest mierzona poprzez porównanie wartości szumów generowanych przez odbiornik z idealnym źródłem szumów. Szumy są również generowane przez źródła zewnętrzne. Bardzo ważnym źródłem szumów jest naturalne promieniowanie cieplne tła otaczającego obserwowany przedmiot. W nowoczesnych urządzeniach w wyniku zastosowania podzespołów najwyższej jakości oraz odpowiednio dużych anten, szumy generowane przez odbiornik są dużo mniejsze od szumów zewnętrznych.

[edytuj] Zakłócenia pasywne

Zakłócenia znajdujące się w aktualnej częstotliwości radiowej pracującego radaru w sygnale powracającym od celu są zazwyczaj bezwartościowe. Sygnały echa od celów w większości przypadków występują na wraz z echami od innych obiektów naturalnych takich jak: ziemia, morze, opady atmosferyczne (deszcz, śnieg, grad), burze piaskowe, zwierzęta (zwłaszcza ptaki), zaburzenia atmosferyczne oraz inne zjawiska atmosferyczne tj. odbicia jonosferyczne, deszcze meteorów). Zakłócenia mogą również by również wynikiem odbicia się sygnału emitowanego przez radar od obiektów nienaturalnych takich jak budynki, czy celowo rozrzucone przez samolot paski folii. Niektóre zakłócenia mogą być już wytwarzane w falowodzie pomiędzy nadajnikiem urządzenia a anteną nadawczą. W typowym radarze obserwacji dookrężnej z obracającą się wokół osi anteną, są one zobrazowane na wskaźniku jako impulsy rozchodzące się promieniście ze środka w kształcie przypominającym promienie słońca, oczywiście w przypadku, kiedy przedostaną się one przez układy zabezpieczające w odbiorniku. Wprowadzając odpowiednią synchronizację podczas pracy nadajnika i odbiornika urządzenia, kiedy to oba układy nigdy nie pracują jednocześnie można ograniczyć wpływ zakłóceń generowanych przez nadajnik. W urządzeniach wykorzystywanych przez niektóre radary (np. NUR-31), ze względu na wspólną antenę nadawczo-odbiorczą oraz końcowy odcinek układu nadajnika, który jest jednocześnie początkowym odcinkiem układu odbiornika, stosuje się specjalny typ przełącznika nadawanie-odbiór wykonanego z izolatorów ferrytowych oraz specjalne lampy – tyratrony. Źródłem wielu zakłóceń są również obiekty znajdujące się w najbliższym sąsiedztwie pracującego radaru. Ze względu na duży poziom sygnału docierającego do odbiornika w celu ich eliminacji stosuje się układy typu ZRT (zasięgowej regulacji tłumienia) oraz ZRW (zasięgowej regulacji wzmocnienia). Osobnym rodzajem zakłóceń są zakłócenia pochodzące od obiektów terenowych. Aby je zredukować stosuje się układy typu TES (tłumienia ech stałych). Wiele źródeł niepożądanych zakłóceń w określonych typach radarów, tak jak chmury burzowe w radarach obrony powietrznej, mogą stanowić ważne źródło informacji w innych radarach – te same chmury w radarach meteorologicznych. Zakłócenia są traktowane jako pasywne źródło interferencji, jeśli tylko pojawiają się w odpowiedzi sygnału emitowanego przez radar. Istnieje wiele sposobów neutralizacji zakłóceń. Kilka ze sposobów bazuje na znanym fakcie, że sygnał zakłócenia zmienia swoje umiejscowienie podczas kolejnego skanowania w danym sektorze przestrzeni przez radar. W ten sposób poprzez porównanie dwóch kolejnych sygnałów wchodzących do odbiornika z tego samego kierunku, w łatwy sposób można oddzielić echa użyteczne pochodzące od celów od zakłóceń. Zakłócenia od fal morskich można w łatwy sposób wyeliminować poprzez zastosowanie polaryzacji poziomej emitowanego sygnału, natomiast, jak już wcześniej było wspomniane, zakłócenia wywołane opadami eliminuje się za pomocą polaryzacji kołowej (za wyjątkiem radarów meteorologicznych, gdzie używa się polaryzacji linearnej w celu lepszej detekcji tychże opadów). Inne z metod próbują zwiększyć stosunek współczynnika sygnał-zakłócenie.

SPFA – standaryzacja prawdopodobieństwa fałszywego alarmu (ang. CFAR – Constant False-Alarm Rate). W radarach, urządzenie musi automatycznie bądź przy współudziale operatora określić pewien poziom mocy odbieranego sygnału, po przekroczeniu którego sygnał będzie zakwalifikowany jako echo pochodzące od interesującego nas obiektu (echo użyteczne). Wyznaczając jednak ten poziom zbyt nisko może dojść do sytuacji, że niekiedy szumy przekraczając go, będą powodowały wzrost ilości tzw. fałszywych alarmów. Z kolei gdy poziom ten będzie wyznaczony zbyt wysoko – dojdzie do odwrotnej sytuacji – ilość fałszywych alarmów zmaleje, ale wiele z ech użytecznych może zostać zignorowanych przez urządzenie, jako potencjalne zakłócenia o stosunkowo dużej mocy, tworząc nieprawdziwy obraz sytuacji powietrznej. W wielu przypadkach sygnał zakłóceń docierający do odbiornika radiolokacyjnego pochodzący z dalszych odległości przewyższa swoją mocą poziom echa od celu użytecznego. Aby wyeliminować powyższe zjawisko zastosowano układ SPFA, mogący sterować poziomem detekcji. Poziom ten jest automatycznie podwyższany w przypadku występowania licznych zakłóceń w otoczeniu obserwowanego obiektu i analogicznie obniżany, kiedy ich brak. Ułatwia to wyodrębnienie ech użytecznych oraz zmniejsza ilość występujących fałszywych alarmów. We wcześniejszych radarach odpowiedzialne za to były to typowe układy elektroniczne. Obecnie coraz częściej można się spotkać z zastosowaniem odpowiedniego oprogramowania komputerowego.

Zobrazowanie zjawiska powstawania fałszywych celów w wyniku odbicia sygnału sondującego od ziemi i jonosfery.

Zakłócenie może również pochodzić od zwielokrotnienia rzeczywistego obiektu w przypadku odbicia echa od powierzchni ziemi, właściwości atmosfery, odbicia lub refrakcji w jonosferze. To specyficzne zakłócenie jest wyjątkowo uciążliwe, ponieważ pojawia się posiadając cechy "typowego, normalnego" obiektu, tworząc tym samym nierealny cel, który wprowadza w błąd obserwatora. W przypadku występowania fałszywego samolotu powstającego w wyniku odbicia echa od powierzchni ziemi, na ekranie radaru widoczny jest obiekt występujący w pewnej odległości tuż za realnym celem. Układy odbiornika mogą spróbować połączyć oba obiekty, podając błędną odległość, bądź całkowicie go eliminując, traktując go jako błąd. Problem ten jednakże może być wyeliminowany poprzez zastosowanie mapy powierzchni otaczającego radar terenu oraz wykluczenie ech obiektów, których stwierdzona wysokość może nasuwać przypuszczenie, że mamy do czynienia z zwielokrotnieniem echa (oczywiście w przypadku zastosowania radaru trójspółrzędnego lub zestawu odległościomierz – wysokościomierz).

[edytuj] Zakłócanie aktywne

Zakłócanie pracy radaru ukierunkowane jest na częstotliwość pracy urządzenia i pochodzi oczywiście ze źródeł zewnętrznych, a powodem jego stosowania jest zazwyczaj zamaskowanie określonych celów. Zakłócanie może być celowe (stosowane jako walka radioelektroniczna) lub niecelowe, przypadkowe (w przypadku użycia nadajników radiowych pracujących na zbliżonej lub tej samej częstotliwości co pracujący radar). Jest ono uważane za aktywne źródło interferencji od momentu zainicjowania go przez zewnętrzne elementy niepowiązane z użytecznym sygnałem radiolokacyjnym.

Ze względu na krótszy dystans, jaki przebywa sygnał zakłócenia (sygnał użyteczny musi pokonać podwójną drogę - od nadajnika do źródła zakłóceń i z powrotem - w porównaniu z zakłóceniem emitowanym przez cel), moc emitowana przez nadajnik zakłóceń może być znacznie mniejsza by skutecznie zakłócić pracujący radar. Zakłócenia mogą być odbierane przez antenę radaru w listku głównym oraz w listkach bocznych. W drugim przypadku może dojść do powstania fałszywej informacji dotyczącej ilości obserwowanych celów. Jedynym sposobem przeciwdziałania tej sytuacji jest stosowanie w urządzeniach anten o stosunkowo małych listach bocznych oraz układów zabezpieczających przed powstaniem takiej sytuacji. Innym sposobem zapobiegającym przedostawaniu się zakłóceń przez listki boczne anteny jest zastosowanie anteny dookólnej, której zadaniem byłoby wykrycie i zignorowanie sygnałów, które nie weszły do listka głównego anteny. Oczywiście pomimo zastosowania elektronicznych układów minimalizujących to zjawisko decydującą rolę w wykryciu zwielokrotnienia ech powstałych poprzez zakłócenie listków bocznych anteny radaru ma przede wszystkim operator siedzący przed ekranem radaru i śledzący trasy poszczególnych obiektów.

Zakłócenia listka głównego anteny mogą być redukowane przez jego zwężenie, ale ich całkowita likwidacja jest niemożliwa, szczególnie w przypadku stosowania przez źródło zakłóceń sygnału o tej samej częstotliwości i polaryzacji co sygnał użyteczny.

Innymi sposobami eliminacji tego typu zakłóceń są: różnicowanie częstotliwości oraz stosowanie polaryzacji fali elektromagnetycznej.

W przypadku stosowania układów przeciwdziałających zakłóceniom zarówno czynnym jak i biernym należy liczyć się z pogorszeniem warunków detekcji sygnału echa.

Przypadkowe zakłócanie oraz interferencja pomiędzy różnego typu urządzeniami staje się coraz częstszym problemem, jak choćby w paśmie C, gdzie radary meteorologiczne (5,66 GHz) bywają nierzadko zakłócane przez coraz bardziej powszechne urządzenia WiFi (5,4 GHz).

[edytuj] Przetwarzanie sygnału echa

[edytuj] Pomiar odległości

[edytuj] Czas przejścia

Radar impulsowy, wykorzystujący do pomiaru odległości pomiędzy urządzeniem a celem pomiar czasu sygnału przebywającego drogę nadajnik - cel - odbiornik.

Opracowany przez Sidneya Darlingtona radar impulsowy umożliwia ocenę odległości między radarem a celem poprzez pomiar czasu przejścia sygnału z anteny do celu i z powrotem. Dzięki zastosowaniu w radarze bardzo stabilnych generatorów częstotliwości oraz układów mierzących czas pomiędzy momentem nadania sygnały oraz jego odbioru z dużą dokładnością można wskazać położenie obiektu a także odróżnić od siebie obiekty znajdujące się w tym samym kierunku od anteny, ale w różnych odległościach.

Sposób pomiaru odległości do celu R_s wynika z prostej zależności:

R s = v t s

gdzie:

R_s = droga pokonywana przez sygnał (impuls)
v = prędkość sygnału (dla fali elektromagnetycznej przyjmujemy oczywiście c ~ 3×10⁸ [m/s])
t_s = czas, jaki potrzebuje sygnał na pokonanie drogi pomiędzy nadajnikiem radaru, celem i odbiornikiem.

Wiedząc, że odległość od radaru do celu R_c jest połową drogi, którą przebywa sygnał R_s oraz podstawiając w miejsce prędkości sygnału prędkość, z jaką rozchodzi się fala elektromagnetyczna, czyli inaczej mówiąc prędkość światła c, otrzymujemy wzór:

$R_c = {{c t_s}\over{2}}$

gdzie:

R_c = dystans dzielący radar od celu.

Dzięki zastosowaniu w radarze bardzo stabilnych generatorów częstotliwości oraz układów mierzących czas pomiędzy momentem nadania sygnały oraz jego odbioru z dużą dokładnością można wskazać położenie obiektu.

Urządzeniem o podobnej zasadzie działania do radaru jest lidar.

Radar czynny występuje w dwóch odmianach: radar pierwotny i radar wtórny.

Często anteny radarów osłaniane są różnego rodzaju osłonami, chroniącymi głównie przed czynnikami atmosferycznymi (wiatr, deszcz) i uszkodzeniami, mechanicznymi, a w samolotach, nadającymi także aerodynamiczny kształt. Osłony te są jednak na tyle cienkie i zbudowane ze specjalnie dobranych materiałów tak, że są praktycznie przezroczyste dla promieni mikrofalowych, których używają radary.

Szczególną grupę radarów stanowią radary dopplerowskie. Radary te wykorzystują zmianę częstotliwości odbitego sygnału w stosunku do wysyłanego, gdy ciało od którego odbiło się promieniowanie porusza się względem radaru. Radary tego typu są stosowane między innymi przez policję do mierzenia prędkości samochodów.