Radiowe wykrywanie i namierzanie czyli RADAR – historia, działanie, zastosowania

0
27

Od lat obecny jest w życiu codziennym – wykorzystywany w trosce o bezpieczeństwo użytkowników dróg publicznych, przez nich samych, z wiadomych powodów, niejednokrotnie bywa przeklinany. Kwestie bezpieczeństwa jednak od samego początku przyświecały idei jego powstania i rozwoju, i choć tych początków należy szukać długo przed wybuchem II Wojny Światowej, to właśnie w okresie tym nastąpiło jego znaczące udoskonalenie. Jako system wczesnego ostrzegania przed zbliżającymi się samolotami wroga, walnie przyczynił się do przechylenia szali zwycięstwa na stronę aliantów. Radar.

Nazwa “RADAR” to akronim utworzony na początku lat czterdziestych XX wieku od terminu „Radio Detection And Ranging” (wykrywanie oraz wyznaczanie odległości za pomocą fal radiowych, albo radiowe wykrywanie i namierzanie). Wcześniejszy skrót “RDF” (Radio Direction Finding), został zastąpiony, a nowy termin przyjął się w wielu językach. Nomen omen, słowo “radar” jest palindromem, czytane wspak powraca jak odbita fala.

Rodzaje i zastosowania

Do wykrywania obiektów wykorzystuje się zjawisko odbicia fal radiowych (najczęściej są to mikrofale), przy czym rozróżnia się radary pasywne i aktywne. 

W radarze aktywnym nadajnik emituje wiązkę promieniowania elektromagnetycznego penetrującą badany obszar, sygnał odbija się od obiektu i powraca. Detekcja sygnału odbywa się w odbiorniku znajdującym się zazwyczaj w tym samym miejscu co nadajnik. Sygnałem mogą być krótkie impulsy o dużej mocy (w radarze impulsowym) lub fala ciągła, jak to ma miejsce w radarach stosowanych przez policję.

Radar pasywny nie emituje promieniowania elektromagnetycznego, a jedynie odbiera promieniowanie odbite od obiektów. Źródłem promieniowania są zwykle inne radary lub nadajniki telekomunikacyjne. Wykorzystując opóźnienia czasowe i dopplerowskie przesunięcia sygnału odbitego określić można położenie i prędkość danych obiektów.

Oprócz zastosowań policyjnych i wojskowych radary wykorzystuje się do wykrywania chmur burzowych, w nawigacji morskiej i systemach kontroli ruchu lotniczego, ale także do uzyskiwania obrazów nieruchomych obiektów o wysokiej rozróżnialności (radar z syntetyczną aperturą), np. powierzchni ziemi.

Zasada działania

U podstaw działania radaru leży zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych. Zjawisko to dostrzegł jeden z protoplastów radaru Heinrich Hertz, który w latach osiemdziesiątych XIX wieku prowadził badania nad emisją i zachowaniem tychże fal. Hertz używał urządzenia, którego działanie podobne było do późniejszego radaru impulsowego.

Fale elektromagnetyczne ulegają odbiciu oraz rozproszeniu w momencie zetknięcia się z obiektem o innych własnościach dielektrycznych czy magnetycznych, niż ośrodek, w którym się rozchodzą. Silnie odbijają promieniowanie przewodniki elektryczne (metale), czyniąc radar doskonałym urządzeniem służącym wykrywaniu samolotów czy statków. 

Radar Tesli

Gdy rodziła się idea radaru i sposobów jego wykorzystania, samoloty nie stanowiły jeszcze realnego zagrożenia. W czasie I Wojny Światowej prawdziwą zmorą amerykańskiej marynarki były niemieckie łodzie podwodne skutecznie zatapiające miliony ton ładunku przeznaczonego dla sił alianckich w Europie, a problem ich wykrywania stał się priorytetowy. Już w 1900 roku w artykule dla Century Nikola Tesla który pracował nad wykorzystaniem fal elektromagnetycznych napisał, iż za ich pomocą “możemy określić względna pozycję lub kurs poruszających się obiektów, takich jak okręty na morzu, odległość przez nie przebytą czy ich prędkość”. W numerze The Electrical Experiment z sierpnia 1917 roku opisał zaś ideę działania atmosferycznego radaru pulsacyjnego, który Tesla miał zamiar wykorzystać do podwodnej penetracji. Okazało się to jednak niemożliwe z powodu zbyt silnego tłumienia fal elektromagnetycznych przez wodę. Jego wizjonerski projekt zakładał wykorzystanie odpowiednio krótkiej fali o odpowiednio wielkiej mocy, którą wówczas trudno było uzyskać. Skuteczność odbicia fal radiowych zależy bowiem m.in. od długości fali – jeśli obiekt jest dużo większy od fali, wtedy odbity sygnał potrafi być niezwykle precyzyjny. 

Chociaż pomysł Tesli mógł z powodzeniem sprawdzić się na powierzchni wody, nikt jednak nie potrafił dostrzec dla niego odpowiedniego zastosowania i nie wzbudził szczególnych emocji. Nie był to odosobniony przypadek.

Radar Hulsmayera

Projekt radaru Hulsmeyera

Na początku XX wieku nad konstrukcją radaru pracował także niemiecki naukowiec Chrystian Hulsmeyer. Zbudował on aparaturę, przypominającą dzisiejszy monostatyczny radar impulsowy, czyli radar mieszczący nadajnik i odbiornik w jednym urządzeniu. Radar Hulsmayera potrafił wykrywać jednostki pływające i mógł znaleźć zastosowanie w morskiej nawigacji. Podobnie jak późniejszy pomysł Tesli, nie spotkał się jednak z większym zainteresowaniem i na pewien czas popadł w zapomnienie.

Walka z U-bootami toczyła się za pomocą skutecznych jedynie w niewielkim stopniu wielolampowych układów wzmacniających, i dopiero wynalezienie sonaru rozwiązało problem. 

Prototyp radaru bistatycznego

Na początku lat dwudziestych Amerykanie Hoyt Taaylor i Leo C. Young pracowali nad radarem, który współcześnie określany jest radarem bistatycznym o fali ciągłej (nadajnik i odbiornik radaru umieszczone są w różnych miejscach). Wynalazcy obserwowali fluktuacje przesyłanego sygnału spowodowane przepływającym między odbiornikiem i nadajnikiem okrętem.

Mikrofale w użyciu

W 1927 roku Hans E. Hollmann zbudował nadajnik i odbiornik pracujący na centymetrowych długościach fal, co doprowadziło do powstania pierwszego systemu komunikacji „mikrofalowej”. Hollmann, Gunther Erbsloeh i Hans-Karl von Willsen udoskonalili urządzenie, które zdolne było  wykrywać statki w odległości około 8 km i samoloty lecące na wysokości 500 metrów w odległości około 30 km. System morski nazwano „Seetakt”, a system naziemny „Freya”.

Chain Home

Instalacja Chain Home – Poling, Sussex, 1945

W latach 30-tych ponownie wypłynął pomysł Hulsmeyera. Pojawiły się bowiem ciężkie bombowce, przy wykrywaniu których zawodziły radary bistatyczne. Zaczęto doskonalić radar monostatyczny. Ówczesne radary działały jednak na częstotliwościach o wiele niższych niż współczesne. Nie opanowano jeszcze technik generowania odpowiednich fal wysokich częstotliwości.

Splendor chwały za wynalezienie radaru spłynął na innego konstruktora. Był nim Robert Alexander Watson-Watt, który w 1935 roku stworzył u wybrzeży Wielkiej Brytanii wspomniany pierwszy system radiodetekcji zwany “Chain Home”. Został on uznany za oficjalnego wynalazcę wynalezionego już skądinąd radaru, będąc przy tym odpowiednio uhonorowany paroma tytułami, wyróżnieniami oraz medalami zasług. Nie umniejszając wagi działań Watson-Watt’a, zaszczyt miana wynalazcy radaru związany był prawdopodobnie z heroicznym czasem Bitwy o Anglię i skutecznym zaangażowaniem systemu radarowego w zwycięstwo.

Ewolucja

Początkowo system stacji radiowych używał zbyt długich fal, przez co uzyskiwano nieprecyzyjny obraz obiektu. Z czasem konstrukcję doskonalono, skłaniając się ku emisji fal z odpowiednio krótszego zakresu, dzięki czemu stało się możliwe precyzyjne określenie lokalizacji nawet stosunkowo małych obiektów. Powstanie nowoczesnego radaru mikrofalowego datuje się na rok 1940, kiedy pojawił się wielownękowy magnetron – lampa mikrofalowa zdolna generować energię pola elektromagnetycznego o bardzo dużej częstotliwości i dużej mocy. Zastosowanie magnetronu w radiolokacji pozwoliło znacznie zredukować rozmiary anten radarów, co później umożliwiło ich umieszczanie np. na pokładach samolotów.

Radar ma pokładzie samolotu

Tak bardzo przydatny w czasie wojny radar, po jej zakończeniu był sukcesywnie udoskonalany. Wynalazcy i konstruktorzy radaru musieli rozważyć szereg istotnych dla jego funkcjonalności kwestii.

Zasięg

Od samego początku prac nad radarem jego odpowiedni zasięg był kluczowym parametrem. Radar Hulsmeyera lokalizował obiekty na odległość zaledwie 4 km, czyli mniej niż widoczność okrętu w pogodny dzień. Stabilne generatory umożliwiły budowę radarów monoimpulsowych. Technologie impulsowe wpłynęły na zwiększenie zasięgów oraz większą precyzję radarów. 

Czas

Podstawową funkcją radaru jest pomiar czasu pomiędzy transmisją sygnału a rejestracją jego echa. Znając prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej oraz posiadając stabilne generatory częstotliwości i układy pomiarowe, z dużą precyzją można wskazać położenie obiektu, a także rozróżnić obiekty znajdujące się w różnych odległościach od anteny.

W przypadku konstrukcji impulsowych, w której zaprojektowano jedną antenę nadawczo-odbiorczą, sygnał emitowany musi mieć odpowiednio krótki czas trwania, aby przy niewielkich odległościach od obiektu nie dochodziło do zjawiska nakładania odbitego echa i sygnału. Biorąc pod uwagę, że czas trwania sygnału ma wpływ na jego zasięg, należy przyjąć pewien kompromis, aby zbyt krótki sygnał nie pozbawił urządzenie jego podstawowego atrybutu, czyli zasięgu. Echo nie powinno też wracać podczas emisji kolejnego impulsu – istotna jest zatem odpowiedniej długości przerwa pomiędzy emitowanymi sygnałami. Uwarunkowanie te determinują zastosowanie radaru – powstają konstrukcje bliskiego i dalekiego zasięgu. Nowoczesne radary emitują dwa rodzaje impulsów w jednym cyklu pracy – krótki i długi umożliwiające przeszukiwanie przestrzeni na różnych dystansach.

Modulacja częstotliwości

Lokalizacja obiektów w przestrzeni zależy od czasu trwania impulsu, ale generacja krótkich sygnałów o wymaganej odpowiednio wysokiej energii bywa problematyczna. Dlatego, aby zwiększyć rozdzielczość, zaczęto wykorzystywać modulację częstotliwości (FM) odpowiednio długich impulsów. Przy tej metodzie wykrywanie na różnych dystansach przestało zależeć od czasu trwania impulsu, a zaczęło być związane z odwrotnością szerokości pasma modulacji. 

Podobną technikę zaczęto stosować także przy konstruowaniu radarów z falą ciągłą. W tym przypadku sygnał posiada piłokształtną modulację częstotliwości, zaś w odbiorniku następuje mieszanie sygnału nadawanego z odbieranymi echami. Pomiar częstotliwości dudnień przekłada się w tym przypadku na odległość od obiektu.

Moc

Projektując urządzenie należało mieć na uwadze spadek mocy powracającego echa. Moc docierającego do odbiornika sygnału zależy od zasięgu radaru, przy czym, z zależności fizycznych wynika, iż zwiększając dwukrotnie dystans do obiektu otrzymamy aż 16 razy słabszą moc sygnału. Do tego dochodzą jeszcze straty powstałe w wyniku propagacji – zjawiska cienia (strata mocy sygnału na skutek jego rozchodzenia się różnymi drogami) i straty powstałe z przyczyn różnych czynników środowiskowych, które także należało uwzględniać.

Prędkość

Przedział czasowy pomiędzy kolejnymi pomiarami oraz położenie obiektu są podstawą do wyznaczenia jego prędkości. Jedną z metod jej określenia jest pomiar z wykorzystaniem zasad działania radarów impulsowych, gdzie prędkość jest obliczana na podstawie dystansu pokonanego przez obiekt w czasie kolejnych pomiarów. W celu odróżnienia obiektów nieruchomych od poruszających się i wyznaczania prędkości tych ostatnich, zaczęto wykorzystywać także zjawisko Dopplera, które związane jest ze zmianą częstotliwości fali odbitej od poruszającego się obiektu. Wykorzystywana jest tu fala ciągła a informacja płynie wraz z echem sygnału docierającego do układu odbiorczego. Częstotliwość echa zwiększa się wraz ze zbliżaniem się obiektu, a na podstawie różnicy pomiędzy częstotliwością sygnału wysyłanego i odbieranego przeprowadzane są odpowiednie wyliczenia.

Radar na pokładzie statku

Zamiast zakończenia

Czyniono kolejne udoskonalenia, zwiększano wydajność, znajdowano nowe obszary zastosowań.

Konstrukcje radarów pozahoryzontalnych pozwoliły zwiększyć zasięg wykrywania celów powietrznych nawet dziesięciokrotnie. Radary z syntetyczną (syntetyzowaną) aperturą pozwoliły zaś na wykonanie precyzyjnych map terenu. 

Zaawansowane układy elektroniczne i cyfryzacja informacji idą w parze z wykorzystaniem wydajnych algorytmów przetwarzania fal radiowych i miniaturyzacją urządzeń. 

Rozwój radiolokacji trwa. 

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Powiadom o