رادار یک سیستم الکترومغناطیسی

رادار یک سیستم الکترومغناطیسی

رادارها

 فصل اول

مقدمه:

1-1-اصول کلی رادار و عملکرد آن

رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت هدفها به کار می رود. این دستگاه بر اساس یک شکل موج خاص به طرف هدف برای مثال یک موج سینوسی با مدولاسیون پالسی(Pulse- Modulated) و تجزیه وتحلیل بازتاب (Echo) آن عمل می کند. رادار به منظور توسعه توانایی حسی‏های چندگانه انسانی برای مشاهده محیط اطراف مخصوصاً حس بصری به کار گرفته شده است. ارزش رادار در این نیست که جایگزین چشم شود بلکه ارزش آن در عملیاتی است که با چشم نمی توان انجام داد. رادار نمی تواند جزئیات را مثل چشم مورد بررسی قرار دهد و یا رنگ اجسام را با دقتی که چشم دارد تشخیص داد بلکه با رادار می توان درون محیطی را که برای چشم غیر قابل نفوذ است دید مثل تاریکی، باران، مه، برف و غبار و غیره. مهمترین مزیت رادار، توانایی آن در تعیین فاصله یا حدود هدف می باشد.

یک رادار ساده شامل آنتن فرستنده، آنتن گیرنده و عنصر آشکارساز انرژی یا گیرنده می‏باشد. آنتن فرستنده پرتوهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط نوسانگر (Oscillator) را منتشر می کند. بخشی از سیگنال ارسالی (رفت) به هدف خورده و در جهات مختلف منعکس می گردد. برای رادار انرژی برگشتی در خلاف جهت ارسال مهم است.

آنتن  گیرنده انرژی برگشتی را دریافت و به گیرنده می دهد. در گیرنده بر روی انرژی برگشتی عملیاتی، برای تشخیص وجود هدف و تعیین فاصله و سرعت نسبی آن، انجام می‌شود. فاصله آنتن تا هدف با اندازه گیری زمان رفت و برگشت سیگنال رادار معین می‌شود. تشخیص جهت، یا موقعیت زاویه ای هدف توسط جهت دریافت موج برگتشی از هدف امکان پذیر است. روش معمول بری مشخص کردن جهت هدف، به کار بردن آنتن با شعاع تشعشعی باریک می باشد. اگر هدف نسبت به رادار دارای سرعت نسبی باشد، تغییر فرکانس حامل موج برگشتی (اثر دوپلر) (Doppler) معیاری از این سرعت نسبی (شعاعی) میباشد که ممکن است برای تشخیص اهداف متحرک از اهداف ساکن به کار برود.در رادارهایی که بطور پیوسته هدف را ردیابی می کنند، سرعت تغییر محل هدف نیز بطور پیوسته آشکار می‌شود.

نام رادار برای تاکید روی آزمایشهای اولیه دستگاهی که آشکارسازی وجود هدف و تعیین فاصله آن را انجام می داده بکار رفته است. کلمه رادار (RADAR) اختصاری از کلمات: Radio Detection And Ranging است، چرا که رادار در ابتدا به عنوان وسیله ای برای هشدار نزدیک شدن هواپیمای دشمن به کار می رفت و ضدهوائی را در جهت مورد نظر می گرداند. اگر چه امروزه توسط رادارهای جدید و با طراحی خوب اطلاعات بیشتری از هدف، علاوه بر فاصله آن بدست می آید، ولی تعیین فاصله هدف (تا فرستنده) هنوز یکی از مهمترین وظایف رادار می باشد. به نظر می رسد که هیچ تکنیک دیگری به خوبی و به سرعت رادار قادر به اندازه گیری این فاصله نیست.

معمولترین شکل موج در رادارها یک قطار از پالسهای باریک مستطیلی است که موج حامل سینوسی را مدوله می کند. فاصله هدف با اندازه گیری زمان رفت و برگشت یک پالس، T_R به دست می آید. از آنجا که امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور در فضا منتشر می شوند. پس این فاصله، R، برابر است با:

به محض ارسال یک پالس توسط رادار، بایستی قبل از ارسال پالس بعدی یک مدت زمان کافی بگذرد تا همه سیگنالهای انعکاسی دریافت  و تشخیص داده شوند.

بنابراین سرعت ارسال پالسها توسط دورترین فاصله‏ای که انتظار می رود هدف در آن فاصله باشد تعیین می گردد. اگر تواتر تکرار پالسها (Pulse Repetiton Frequency) خیلی بالا باشد، ممکن است سیگنالهای برگشتی از بعضی اهداف پس از ارسال پالس بعدی به گیرنده برسند و ابهام در اندازه گیری فاصله ایجاد گردد. انعکاسهایی که پس از ارسال پالس بعدی دریافت می شوند را اصطلاحاً انعکاسهای مربوط به پریود دوم (Second-Time-Around) گویند چنین انعکاسی در صورتی که به عنوان انعکاس مربوط به دومین پریود شناخته نشود ممکن است فاصله راداری خیلی کمتری را نسبت به مقدار واقعی نشان بدهد.

حداکثر فاصله ای که پس از آن اهداف به صورت انعکاسهای مربوط به پریود دوم ظاهر می گردند را حداکثر فاصله بدون ابهام (Maximum Unambiguous Range) گویند و برابر است با:

که در آن=تواتر تکرار پالس بر حسب هرتز می باشد. در شکل زیر حداکثر فاصله بدون ابهام بر حسب تواتر تکرار پالس رسم شده است.

شکل 1-1 حداکثر فاصل بدون ابهام بر حسب تواتر تکرار پالس

اگر چه رادارهای معمولی یک موج با مدولاسیون پالسی(pulse-Modulated Waveform) ساده را انتشار می دهند ولی انواع مدولاسیون مناسب دیگری نیز امکان پذیر است حامل پالس ممکن است دارای مدولاسیون فرکانس یا فاز باشد تا سیگنالهای برگشتی پس از دریافت در زمان فشرده شوند. این عمل مزایایی درقدرت تفکیک بالا در فاصله (High Range Resolution) می‌شود بدون این که احتیاج به پالس باریک کوتاه مدت باشد. روش استفاده از یک پالس مدوله شده طولانی برای دسترسی به قدرت تفکیک بالای یک پالس باریک، اما با انرژی یک پالس طولانی، به نام فشردگی پالس (Pulse Compression) مشهور است.

در این مورد موج پیوسته (CW) را نیز می توان به کاربرد و ازجابجایی تواتر دوپلر. برای جداسازی انعکاس دریافتی از سیگنالرفت و انعکاسهای ناشی از عوامل ناخواسته ساکن(Cluttre) استفاده نمود. با استفاده از موج CW مدوله نشده نمی توان فاصله را تعیین کرد و برای این کار باید مدولاسیون فرکانس یا فاز به کار رود.

2-1-فرم ساده معادله رادار

معادله رادار برد رادار را به مشخصات فرستنده، گیرنده، آنتن، هدف و محیط مربوط می سازد. این معادله نه تنها جهت تعیین حداکثر فاصله هدف تا رادارمفید است بلکه برای فهم عملکرد رادارو پایه‏ای برای طراحی رادار به کار می رود.

در این قسمت فرم ساده معادله رادار ارائه می گردد.

اگر توان فرستنده رادار P₁ و آنتن فرستنده ایزوتروپ (Isotropic) (در همه جهات یکسان تشعشع کند) باشد، چگالی توان (Power Density) (توان در واحد سطح) در فاصله R از رادار برابر است با توان فرستنده بر مساحت یک کره فرضی به شعاع R و یا:

(3-1)   چگالی توان تشعشعی از آنتن ایزوتروپ

در رادارها از آنتن‏های سمت گرا (جهت دار) استفاده می‌شود تا توان تشعشعی، P₁ در یک جهت خاص هدایت گردد. بهره آنتن، G، معیاری از افزایش توان تشعشعی آنتن درجهت هدف نسبت به توان تشعشعی ناشی از یک آنتن ایزوتروپ می باشد و ممکن است به صورت نسبت حداکثر شدت تشعشع ناشی از یک آنتن مورد نظر به شدت تشعشع ناشی از آنتن ایزوتروپ بدون تلفات با همان توان ورودی تعریف گردد. (شدت تشعشع عبارت است از توان تشعشعی در واحدزاویه فضایی در جهت مورد نظر) بنابراین چگالی توان تشعشعی از یک آنتن با بهره G روی هدف برابر است با:

(4-1) = چگالی تشعشعی از آنتن سمت گرا

هدف با مقداری از توان تابش شده تلاقی کرده و مجدداً آن را درجهات مختلف تشعشع می کند مقداری از توان رسیده به هدف که با آن تلاقی کرده و دوباره به سمت رادار تشعشع شده بر حسب سطح مقطع راداری،  ، مشخص و طبق رابطه زیر تعریف می‌شود.

(5-1) = چگالی توان سیگنال برگشتی در محل رادار

در این رابطه که سطح مقطع راداری  واحد سطح دارد که مشخصه ای از هر هدف خاص بوده و معیاری از اندازه هدف از دید رادار می باشد. آنتن رادار مقداری از توان بازگشتی از هدف رادریافت می کند. اگر سطح موثر آنتن گیرنده A_e باشد، توان دریافتی توسط رادار برابر است با:

(6-1)

حداکثر برد رادار، فاصله ای است که بالاتر از آن، هدف قابل آشکارسازی نباشد و آن موقعی است که توان دریافتی رادار درست برابر حداقل توان قابل آشکارسازی،، باشد پس:

(7-1)

این شکل اساسی معادله رادار است. توجه گردد که پارامترهای مهم آنتن در این رابطه، بهره فرستندگی و سطح موثر گیرندگی آن می باشند.

در تئوری آنتن‏ها. رابطه بین بهره فرستندگی و سطح موثر گیرندگی به صورت زیر ارائه می‌شود.

(8-1)

چون در رادارها معمولا آنتن فرستنده و گیرنده یکی می باشد، با جایگذاری معادله فوق در معادله ما قبلی آن ابتدا برای A_e و سپس برای G، معادله رادار را به دو صورت زیر می توان نوشت:

(9-1)

(10-1)

این سه صورت معادله رادار فوق ضرورت احتیاطدر تفسیر معادله رادار را نشان می دهند. برای مثال، از معادل (9-1) ممکن است نتیگه گیری شود که برای رادار متناسب با  می باشد، در صورتی که معادله (10-1) وابستگی  را مشخص می کند و معادله (7-1) عدم وابستگی فاصله را نسبت به طول موج، نشان می دهد. رابطه صحیح بستگی به این دارد که بهره آنتن نسبت به طول موج ثابت فرض شده است یا نسبت به سطح موثر آن. علاوه بر آن، اعمال محدودیت های دیگر، نظیر ضرورت بررسی دقیقتر یک حجم مشخص از فضا در یک مدت معین می تواند موجب وابستگی دیگری نسبت به طول موج گردد.

این صور ساده شده معادله رادار، به طور کافی مشخصات یک رادار عملی را تشریح نمی کنند. بسیاری از عوامل مهم که در برد رادار موثرند. به طور صریح در معادله‏های منظور نشده اند. در علم حداکثر برد رادار خیلی کمتر از مقدار است که از معادلات بالاتر پیش بینی می‌شود، بعضی اوقات تا حد نصف می باشد. دلائل زیادی برای این کاهش نسبت به عملکرد واقعی وجود دارد که در بخش 2 شرح داده خواهند شد.

3-1-شمای بلوکی رادارو عملکرد آن

عملکرد یک رادار پالس نمونه را میتوان با شمای بلوکی شکل (2-1) تشریح نمود.

شکل(2-1) – شمای بلوکی یک رادار پالسی

فرستنده ممکن است یک نوسان ساز، شبیه یک مگنترون باشد که بوسیله مدولاتور به گونه ای به آن پالس اعمال می گردد (خاموش و روشن می‌شود) که یک قطار تکراری ازپالسها ایجاد نماید. مگنترون تقریباً از پر استفاده ترین منابع مایکروویو در رادارها می‏باشد. یک رادار نمونه برای کشف هواپیما در فواصل 100 الی 200 مایل دریایی ممکن است نیاز به توان حداکثری حدود یک مگاوات (یا توان متوسط حدود چند کیلو وات)، پهنای پالسی حدود چند میکروثانیه و تواتر تکرار پالسی حدود چند صد پالسی در ثانیه داشته باشد. شکل موج ایجاد شده توسط فرستنده، به وسیله یک خط انتقال به آنتن منتقل می گردد و از آنجا در فضا منتشر می گردد. معمولاً یک آنتن برای هم فرستندگی و هم گیرندگی به کار می رود، در این صورت گیرنده باید در مقابل صدمات ناشی از توان بالای فرستنده حفظ شود این کار توسط دوپلکسر (Duplexer) انجام می گیرد. وظیفه دیگر دوپلکسرهدایت امواج برگشتی به طرف گیرنده و جلوگیری از رسیدن آن به فرستنده است.

دوپلکسر ممکن است شامل دو لامپ تخلیه گازی یکی به نام TR (Transmit- Receive) (فرستنده- گیرنده) و دیگری ATR (Anti-Transmit-Receive) آنتی فرستنده- گیرنده باشد. TR درزمان ارسال از گیرنده حفاظت می کند و ATR در زمان دریافت، موج برگشتی را به طرف گیرنده هدایت می نماید.سر کولاتورهای فریتی حالت جامد (Solid State Ferrite Circulators) و حفاظت کننده‏های گیرنده با لامپ گاز پلاسما TR و یا محدود کننده های دیودی نیز به عنوان دوپلکسر به کار برده می‌شود.

گیرنده معمولاً ازنوع سوپر هترودین (Super Heterodyne) است. اولین طبقه آن ممکن است یک تقویت کننده کم نویز نظیر یک تقویت کننده پارامتر یا تراتزیستوری کم نویز باشد. لیکن همیشه کاربرد یک تقویت کننده کم نویز در اولین طبقه مناسب رادار نمی باشد. ورودی گیرنده می تواند فقط یک طبقه مخلوط کنده (Mixer) باشد، خصوصاً دررادارهای نظامی که باید در یک محیط  پر از نویز کار کنند. با وجودی که یک گیرنده با ورودی  و خروجی کم نویز کم نویز خیلی حساس تر است لیکن ورودی مخلوط کننده می تواند دارای محدوده کار (Dynamic Range) بزرگتر، حساسیت کمتر از مقابل اضافه بار و آسیب پذیری کمتر در مقابل تداخل الکترونیکی باشد.

مخلوط کننده و نوسانگر محلی Local Oscillator (LO) سیگنال RF را به فرکانس میانی (IF) تبدیل می کنند. برای نمونه یک تقویت کننده IF برای یک رادار کنترل کننده ترافیک هوایی ممکن است دارای فرکانس مرکزی MHz 30 یا MHz 60 و پهنای باندی حدود یک مگاهرتز باشد. تقویب کننده IF فوق باید نظیر یک فیلتر تطبیق شده طرح گردد به عبارت دیگر تابع تبدیل پاسخ فرکانسی آن – H(f)- باید نسبت پیک سیگنال به توان متوسط نویز در خروجی را ماکزیمم کند و این وقتی اتفاق می افتد که اندازه تابع تبدیل پاسخ فرکانس H(F) برابر اندازه طیف سیگنال برگشتی (S(f)) و طیف فازی فیلتر تطبیق شده اش برابر منهای طیف فازی سیگنال برگشتی باشد  در یک رادار که شکل موج سیگنال آن تقریبا یک پالس مستطیلی است وقتی که حاصل ضرب پهنای باند IF یعنی B درپهنای پالس  در حدود یک باشد، یعنی  مشخصه فیلتر میان گذر IF طرح شده نزدیک به فیلتر تطبیقی خواهد بود.

پس از ماکزیمم کردن نسبت سیگنال به نویز در تقویت کننده IF مدولاسیون پالسی دومین آشکار ساز استخراج و توسط تقویت کننده تصویری به سطحی کخه معمولا روی یک لامپ اشعه کاتدی CRT قابل نمایش باشد تقویت می گردد.

سیگنالهای زمانی هم برای مشخص کردن فاصله صفر روی نمایشگر به کار گرفته می‏شوند. اطلاعات زاویه ای از جهت آنتن استخراج می گردد. معمولترین فرم نمایشگر لامپ با اشعه کاتدی از نوع PPI (Plan Position Indicator) است ( شکل 3-1 الف) که در مختصات قطبی محل هدف را بر حسب فاصله و زاویه افق (Azimuth) نشان می دهد. نمایش فوق یک نمایش با مدولاسیون شدت (Intensity-Modulated) است به طوری که دامنه خروجی گیرنده شدت شعاع الکترونی را مدوله می کند و شعاع الکترونی از مرکز لامپ به طرف بیرون جاروب میشود. پرتوها همراه با چرخش آنتن تغییر زاویه می دهند. صفحه نشان دهنده B (B-Scope) نمایشگری است شبیه به PPI که مختصات مستطیلی را بجای قطبی برای نمایش دهنده A است که در شکل (3-1ب)نشان داده شده است.

این فرم دامنه هدف (محور yها) را بر حسب فاصله (محور xها) برای یک جهت ثابت نمایش می دهد.

شکل (3-1) –الف) نمایش فاصله بر حسب زاویه روی Ppi

        ب) نمایش دامنه بر حسب فاصله روی نمایشگر A

نمایش فوق با مدولاسیون انحراف است. در کاربرد، این نوع نمایش بیشتر مناسب رادار ردیاب تا رادار تجسسی.

شمای بلوکی ارائه شده در شکل (2-1) فرم ساده ای و بسیار از جزئیات در آن حذف شده است فرم فوق شامل دستگاههایی که اغلب در رادار یافت می شوند مثل وسایلی برای جبران سازی خود کار گیرنده در مقابل تغییرات فرکانسی (AFC) یا بهره ای (AGG) یا مداراهایی در گیرنده برای کم کردن تداخل ناشی از رادارهای دیگر و سیگنالهای ناخواسته، یا اتصالات چرخشی در خط انتقال برای ایجاد قابلیت چرخشی آنتن، مدارهایی برای تشخیص هدفهای متحرک از اهداف ساکن ناخواسته (MTI) و فشرده سازی پالس برای رسیدن به قدرت تفکیک بالای پالس کوتاه ولی توسط قدرت یک پالس طولانی نمی شود. در کاربرد رادار بعنوان ردیاب دستگاهی برای تعیین محل زاویه ای هدف متحرک لازم است تا آنتن را به طور خود کار روی هدف قفل کرده و دنبال کند. معمولا دستگاههای نمایش دهنده‏ای نیز برای اطمینان از این که فرستنده شکل مناسب پالس را را سطح قدرت مناسب می دهد و حساسیت گیرنده کاهش نیافته است شامل می شوند. پیش بینی هایی هم ممکن است برای یافتن خرابی تجهیزات بشود تا بتوان مدارهای خراب را براحتی پید و تعویض نمود.

ممکن است بجای نمایش مستقیم سیگنال تصویری خام خارج شده از از رادار تجسسی روی CRT نخست توسط دستگاه آشکارساز و ردگیر خودکار ADT پردازش گردد که منطقه تحت پوشش رادار به سلولهای صفحه، که به طور فاصله و زاویه ازافق منظم شده‏اند، تقسیم می کند همه پالسهای برگشتی رسیده به هر سلول را با هم جمع و یک آستانه ایجاد می کند (برپایه مجموع پالسهای دریافتی) که فقط به خروجی های قوی ناشی از برگشتیهای هدف اجازه عبور می دهد و نویز را حذف می کند بدین طریق مسیر هر هدف را مشخص و حفظ می کند و پس از پردازش، اطلاعات را به اپراتور نشان می دهد. عملکرد ADT معمولا توسط تکنولوژی کامپیوتر دیجیتالی قابل انجام است.

نوع معمول آنتن رادار یک آنتن انعکاسی سهموی شکل است که از یک منبع نقطه ای در کانون تغذیه می‌شود. منعکس کننده سهموی انرژی را در یک شعاع باریک متمرکز می کند- درست نظیر آنچه که یک نورافکن یا چراغ جلو اتومبیل انجام می دهد. شعاع آنتن ممکن است به طور مکانیکی در فضا چرخاندهشود. آنتن‏های آرایه ای فازی نیز در رادارها به کار رفته اند. در یک آنتن آرایه ای فازی شعاع تشعشعی بصورت الکترونیکی با تغییر فاز جریان های روی دهانه آنتن در فضا چرخانده می شوند.