الموجات المايكروية والرادار

الرادار

الرادار هو نظام يستخدم موجات كهرومغناطيسية للتعرف على بعد وارتفاع وحجم الأهداف الارضية كالتضاريس. جهاز الإرسال يبعث موجات راديو التي تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال. و تكون 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 كدراسة الاشكال الارضية ومراقبة الكوارث والأرصاد لمعرفة هطول الأمطاروالأهم استخدامه بالمجال العسكري. سمي الرادار بهذا الاسم اختصارا لجملة .(RAdio Detection And Ranging)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.
أما الرادار أحادي النبض فقد ظهر في عام 1934 بأمريكا ثم ألمانيا وفرنسا ، وذلك بواسطة إميلي جيراردو ،الذي أظهر أول رادار فرنسي حسب تصورات تيسلا الأساسية، في حين أن أول ظهور للرادار الكامل كان في بريطانيا كدفاع عن أي هجوم للطائرات وذلك في عام 1935. 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 علم الرادار
ان الموجات الكهرومغناطيسية تنعكس (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. طريقة عمل الزوايا العاكسةولأسباب 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 .
الاستقطابإشارات 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.
التداخلنظام الرادار يجب عليه تخطي بعض الإشارات الغير مرغوبة الناشئة من (مصادر داخلية أو خارجية سواءا سلبي 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.
الضوضاءإشارة 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.
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.
صورة لمرشد الموجة ويكون موضعه ما بين الإريال وجهاز المرسل المستقبل موجات مزعجة كما بالصورة تظهر وتختفي أهداف غير حقيقية أشباح أو خيال هناك إزعاج يكون بسبب طول مرشد الموجة waveguide ما بين جهاز المرسل-المستقبل transceiver وبين الهوائي، بشاشات الرادار ذات مبين الموقع الإسقاطي (plan position indicator (PPI)) عليها و رادارها 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.
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.
تجهيز إشارة الراديو
رحلة الموجة ذهاب وإيابطريقة واحدة لقياس بعد الهدف وهي إرسال نبضة قصيرة من موجة الراديو (إشعاع كهرومغناطيسي) ثم حساب الوقت حتى عودتها من الهدف وسرعة الموجة هي سرعة الضوء(186.000 ميل بالثانية) والمسافة تكون نصف الرحلة كلها (ذهاب وإياب)، لحساب ذلك بدقة يتطلب أجهزة دقيقة.
وأهم خصائص موجات الراديو هى:
1- تنتشر هذه الموجات فى شكل موجات جيبية Wave form
2- تنتشر موجات الراديو بسرعة تقريبا تساوى سرعة الضوء.
= 3 × 108 meter/sec and since I sec = 106 μ s
:. = 300 meter / μ s
= 162000 N.M./ sec
3- تتاثر بالعوامل الجوية .. فهى تمتص بواسطة بخار الماء وتتشتت نتيجة اصطدامها بالجزئيات الصلبة المعلقة بالهواء.
4- عند اصطدامها بأى جسم صلب فانها ترتد مرة ثانية.
هناك عامل يفرض استعمال المدى الأقصى، هو عند عودة النبضة من الهدف بلحظة إرسال نبضة أخرى يجعل المستقبِل لايستطيع التمييز، إذا يجب علينا إطالة المدى باستخدام وقت أطول بين النبضات أو ما يسمى توقيت تكرار النبضات pulse repetition time، المشكلة أن هذان العاملان يميلان أن يكونا متضادين، إذ ليس سهلا لدمج موجتان أحداهما قصيرة المدى والأخرى طويلة برادار واحد، والسبب أن النبضات القصيرة المطلوبة عند الحد الأدنى للبث الجيد لديها طاقة ضعيفة، ومما يقلل الموجات الراجعة وتكون الأهداف صعبة الكشف، ولتجنب ذلك نزيد النبضات ولكن ذلك مرة أخرى يقلل الحد الأعلى للمسافة، لهذا كل رادار يستخدم نوع خاص من الإشارة. فالرادارات ذات المدى البعيد تستخدم نبضات طويلة ولها توقيت انتشار أطول، والرادارات ذات المدى القصير تستخدم نبضات قصيرة مع توقيت انتشار أقل. هذا لتشكيل من النبضات والتوقيت يسمى تردد النبضات المتكرر pulse repetition frequency، وهو أحد الصفات المهمة للرادار. بما أن الإلكترونيات طورت بأنظمة الرادار بحيث يمكنها تغيير تردد النبضات المتكرر ومن ثم يتغير المدى، فالرادارات المتطورة أو الحديثة تطلق نبضتين بالضربة الواحدة، إحداهما للمسافات القصيرة -حوالي 6 أميال- والأخرى حوالي 60ميل للمسافات الطويلة. تحليل المسافة ومميزات الإشارة المستقبلة (مقارنة مع الإزعاج الآتي معها) تعتمد بقوة على شكل النبضة. النبضة عادة تكون معدلة للحصول على كفاءة أفضل بتقنية تسمى انضغاط النبضات pulse compression تقليل تأثيرات التداخل
معالج الإشارة يستخدم بالرادار لتقليل آثار التداخل، ويستخدم بالأنظمة التالية: بيان الأهداف المتحركة moving target indication ، رادار دوبلر، معالجات كشف الأهداف المتحركة moving target detection (MTD) processors، ومرتبط بأهداف رادار المراقبة الثانوي secondary surveillance radar SSR، معالجة تكيف الزمن الفضائي space-time adaptive processing STAP. ثابت معدل الإنذارات الكاذبةConstant False-Alarm Rate ومعالج التضاريس الرقمي digital terrain model (DTM تستخدم في بيئات الموجات المزعجة. هندسة الرادار نظام الرادار يحتوي على العناصر التالية:
المرسل وهو الذي يولد إشارة الراديو مع المذبذب مثل الماجنترون ( وهو صمام إلكتروني مغناطيسي) و الكليسترون 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.
يتولى رادار رسم المسار مهام التحكم بلحظات الاطلاق وتعليق الاقمار الصناعيه. تعتد بعض الاقمار الصناعية بأنواع اخرى من الرادارات، منها رادار ذو فتحة مركبه، او ال SAR. هذا الرادار هو جهاز لرسم الخرائط على الارض يعتمد على ترجمة اشعاعات الموجات الصغيره.
كما تفعل الاقمار الصناعيه، تتولى هوائيات الرادار ارسال موجات اشعاعية على شكل ومضات بأتجاه الارض. تنعكس هذه الموجات في جميع النقاط على سطح الارض. تلتقط الهوائيات الصدى، فيعاد تركيب الصدى علىشكل خرائط ارضية مفصله.
ترجمة صورة الرادار وحدها يمكن ان تكون معضله، لهذا عادة ما تتم مقارنة صورة الرادار بلوحة مرئية ملونه.
عادة ما تكون الاضاءة في صورة الرادرار متناسقة مع كثافة الصدى، اي تجاوب المنطقة الارضية المنعكسة الى الرادار. تعتمد كثافة الصدى على السطح الفيزيائي كالانحناءات والتجعدات.
المنخفض المصغر، كالانهر مثلا، يعزز انعكاس الموجات الى الرادار. يمكن للرادار ان يكشف عن منطقة غابات خضراء يتم ازالة الاشجار منها.