الرادار

الرادار :

الرادار ( الكاشوف ) هو نظام يستخدم موجات كهرطيسية للتعرف على بعد وارتفاع واتجاه وسرعة الأجسام الثابتة والمتحركة كالطائرات، والسفن، والعربات، وتشكيل الطقس، والتضاريس. جهاز الإرسال يبعث موجات راديو التي تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال. وتكون 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 كالأرصاد لمعرفة هطول الأمطار، والمراقبة الجوية، الشرطة لكشف السرعة الزائدة، وأخيرًا والأهم استخدامه بالمجال العسكري. سمي الرادار بهذا الاسم اختصارا لجملة (RAdio Detection And Ranging)



أساسيات عمل الرادار:يرسل نبضة طاقة (الخضراء) على الجسم فتنتشر الارتدادات (أزرق) ويعود جزء بسيط منها إلى مصدره الرادار




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 هولسماير الذي أظهر عملية كشف وجود سفينة من خلال الضباب ولكن من غير تحديد المسافة وذلك في عام 1904[1].

أنشأ نيكولا تيسلا رائد علم الكهرباءالأسس المرتبطة بين الموجات ومستوى الطاقة قبل الحرب العالمية الثانية وكان الرادار البدائي.

أما الرادار أحادي النبض فقد ظهر في عام 1934 بأمريكا ثم ألمانيا وفرنسا ،وذلك بواسطة إميلي جيراردو ،الذي أظهر أول رادار فرنسي[2] حسب تصورات تيسلا الأساسية، في حين أن أول ظهور للرادار الكامل كان في بريطانيا كدفاع عن أي هجوم للطائرات وذلك في عام 1935[3]. ازدادت الأبحاث خلال الحرب لإظهار أفضل الرادارات كأسلوب للدفاع حتى ظهرت رادارات متحركة بمواصفات أفضل. وبالسنوات التي تلت الحرب استخدم الرادار بقوة في المجال المدني كمراقبة الملاحة الجوية والأرصاد وحتى بعلم قياسات الفضاء في الفلك.


أساسيات عمل الرادار :

الانعكاس :

تنعكس الموجات الكهرطيسية (أحيانًا تتبدد) عند أي اختلاف كبير في ثوابت العزل الكهربائي أو التعاكس المغناطيسي (الديامغناطيسية)، وهذا يعني أن المواد الصلبة الموجودة بالهواء أو 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 على مقاومة ومواد مغناطيسية وتستخدم بالعربات العسكرية لخفض انعكاس الرادار، وأيضا الأصباغ 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 الإريال ثنائي الأقطاب. 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 الإنقاذ وتقليل الاصطدامات كما بالصورة.

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 بطائرة الشبح، ومع ذلك فإن التخفي لا يكون كاملا بسبب عامل الانحراف للموجات وخاصة للموجات الطويلة.




طريقة عمل الزوايا العكسية


معادله الرادار
كمية الطاقة للإشارة 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 = المسافة أو المدى بين المرسل والهدف
من المعادلة نرى أن كمية طاقة الإشارة المرتدة تضعف إلى مستوى أقل من ربع طاقة المدى مما يعني أن قوة الإشارة المستلمة تكون ضعيفة جدا.

عامل الانتشار=1 في حالة الفراغ ويعني 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 الإشارة الرادار تضيف تصنيف زمن التردد (المويجة) ويستخدم للأهداف المتحركة.


الاستقطاب :

إشارات الرادار المرسلة يكون مجالها الكهربائي متعامد مع اتجاه الموجة واتجاه هذا المجال يكون هو استقطاب الموجة، فنرى قطبية الرادار إما أفقية أو عمودي أو على شكل خط مستقيم أو دائري حتى يمكنه الكشف على عدة أنواع من الانعكاسات، فمثلا الاستقطاب الأفقي يستخدم لتقليل التشويش الآتي من المطر. الاستقطاب المعاد على خط مستقيم يستخدم للتعريف على الأجسام المعدنية، الاستقطاب العشوائي المعاد يدل على الأسطح الصغيرة والكسرات كالصخور والتربة وهذا النوع من الرادار تستخدم بمراقبة الملاحة الجوية .

التداخل :

نظام الرادار يجب عليه تخطي بعض الإشارات الغير مرغوبة الناشئة من (مصادر داخلية أو خارجية سواءً سلبية أو إيجابية) حتى تظهر الأهداف الحقيقية. وتعرف تلك المقدرة على تخطي موجات التشويش بنسبة الإشارة إلى الضجيج. (signal to noise ratio SNR) كلما كانت النسبة عالية كلما كانت كلما كانت نقاوة الموجة المستقبلة أفضل .

الضوضاء :

إشارة الضوضاء هي مصدر داخلي من الاختلافات المتعددة للإشارة، وتشكلت إلى حد ما من قبل القطع الإلكترونية الداخلية. وهو مضاف بشكل عشوائي 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 الإلكترونات 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 كالأرض والبحر والمنتشرة كالمطر والثلج والأعاصير الرملية والجوية والحيوانات والتأثير الغلاف الجوي والنيازك الصغيرة وحتى منتوجات البشر كالبنايات أو مضاد الرادار كالشذرات والخدع الرادارية.

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 ورادارها 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 الأعاصير" لا يتعرف عليها رادار الدفاع الجوي ولكنها معرفة برادارات الأرصاد الجوية، 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 صدى الكشف نرى الموجات المرغوبة تتحرك بينما جميع الصدى الثابت ستزال من الشاشة.
موجات البحر الفوضوية تقلل بواسطة الاستقطاب الأفقي والمطر يقلل بواسطة الاستقطاب الدائري، 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 أي ثابت معدل الإنذارات الكاذبة، وهي 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 الأشباح أو الخيال.

وستتصرف كالتالي: صدى الطائرة إلى الرادار هو انعكاس من عدة اتجاهات من الأرض ومن 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 الأرض أو فوق ارتفاع معين. الأنواع الحديثة من أجهزة الرادارات الأرضية للمطارات تستخدم الخوارزميات 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.




صورة لمرشد الموجة ويكون موضعه ما بين الإريال وجهاز المرسل المستقبل



موجات مزعجة كما بالصورة تظهر وتختفي



أهداف غير حقيقية أشباح أو خيال


التشويش :

تشويش الرادار مصدره موجات راديوية ناشئة من خارج نظام الرادار، ترسل على موجة الرادار فيخفي الأهداف المرغوبة. التشويش قد يكون متعمدا كسلاح مضاد للرادار في تكتيكات الحروب الإلكترونية، وقد يكون غير متعمد مثل النيران الصديقة أجهزتها تعمل على نفس الموجة الرادارية. ينظر إلى التشويش بأنه قوة تداخل فعالة لأنها تنشئ من عناصر خارج النظام وغير مرتبطة بإشارات الرادار.

التشويش مشكلة معقدة لأن الموجة المشوشة تحتاج إلى ذهاب إلى الرادار المعني دون الحاجة للرجوع، بينما موجة الرادار يرحل ذهاب وإياب الرادار-الهدف-الرادار فتقل قوته بشكل ملموس مع عودته للمستقبِل. أجهزة التشويش تحتاج إلى طاقة أقل من أجهزة الرادار ولكنها تبقى ذات فعالية قوية لإخفاء الأهداف خلال خط البصر (line of sight) من المشوش إلى الرادار (فص التشويش الرئيسي، Mainlobe Jamming). المشوش يكون معه تأثير مضاف إلى تأثير الرادار على طول خط البصر خلال استقبال الرادار ويسمى "فص التشويش الجانبي" (Sidelobe Jamming). فص التشويش الرئيسي ممكن تقليله بتضييق الزاوية المجسمة له، ولكن لا يمكن إزالتها خاصة عندما تواجه مباشرة المشوِش الذي يستخدم نفس الموجات ونفس الاستقطاب الذي يستخدمه الرادار. الفصوص الجانبية للتشويش ممكن التغلب عليها بواسطة تصميم هوائي يقلل استقبال الفصوص الجانبية واستخدام هوائي لجميع الاتجاهات (omnidirectional antenna) لكشف وإهمال إشارات الفصوص الجانبية. التقنيات الأخرى المضادة للتشويش مثل الاستقطاب وقفزات التردد (frequency hopping، وهي تغيير التردد بتسلسل عشوائي يعرفه المرسل والمستقبل فقط). التداخل حاليا أصبح مشكلة للنطاق C-band الذي تستخدمه الأرصاد الجوية على موجة 5.4 جيجا هرتز مع تقنية الواي فاي .

هندسة الرادار :

نظام الرادار يحتوي على العناصر التالية:

المرسل وهو الذي يولد إشارة الراديو مع المذبذب مثل الماجنترون ( وهو صمام إلكتروني مغناطيسي) والكليسترون 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.