1. Uvod Radar je uredjaj koji koristi elektromagnetske talase kako bi odredio udaljenost, visinu, smjer ili brzinu pokretnih i nepokretnih objekata kao što su avioni, brodovi, svemirske letelice, navođeni projektili, motorna vozila, teren itd. Radarski
antena emituje pulseve radio talasa ili mikro talasa koji se
odbijaju od bilo kojeg objekta koji im se nađe u putanji. Objekt vrati mali dio energije talasa anteni koja se obično nalazi na istom mestu kao i odašiljač. Postoje drugi uredjaji
slični radaru koji se koriste u drugim
djelovima
elektromagnetskog spektra. Jedan primjer je LADAR (Laser Detection and Ranging) koji koristi svjetlo lasera umjesto radio talasa.
1.1.
Istorijski razvoj radara
Nekoliko naučnika i inženjera je doprinelo razvoju radara . 1886. Heinrich Hertz je otkrio da se radio talasi mogu odbijati od čvrstih predmeta. 1895. Aleksandar Popov je napravio uređaj koji može detektovati udaljene udare munje. Korišćenje radio talasa za otkrivanje metalnih predmeta prvi je implementirao Christian H. Ismeyer 1904. On je demonstrirao izvodljivost detekcije brodova u gustoj magli. Odobren mu je patent za radar Reichspatent Nr. 165546. 1917. Nikola Tesla dao je osnovne kocepte za primitivne radarske jedinice. 1922. A. Hoyt Taylor i Leo C. Young otkrili su da kada su radio talasi emitovani na 60 MHz bilo je moguće odrediti udaljenost i smjer obližnjih brodova u rijeci Potomac. Uprkos Taylorovim predlozima da se metoda može koristiti po mraku i lošoj vidljivosti, mornarica nije odmah nastavila njegov rad. Pre Drugog svetskog rata naučnici u SAD-u, Francuskoj, Velikoj Britaniji, Njemačkoj, Italiji, Japanu, Holandiji i Sovjetskom savezu razvijali su tehnologije nezavisno i u velikoj tajnosti koje su dovele do moderne verzije radara. Prvi potpuni radar je bio pulsirajući, a prvi takav aparat predstavio je Amerikanac Robert M. Page u decembru 1934. 1
Britanci u bili prvi koji su uspeli u potpunosti iskoristiti radar kao odbranu protiv vazdušnih napada. To je potaknuto strahom da Nijemci razvijaju “zrake smrti”. 1934. istraživali su mogućnost širenja elektromagnetske energije i moguće efekte. Zaključili su da je kao “zrak smrti” nepraktična, ali da je moguća detekcija aviona. Tim Roberta Watsona Watta demonstrirao je mogućnosti prototipa, pa zatim patentirao uređaj. Služio je kao podloga za “Chain Home” mrežu radara u odbrani Velike Britanije.
2. Principi radara Radarski uredjaj emituje moćne radio talase i prisluškuje njihov odjek. Analizom reflektiranog signala, reflektor može biti lociran, a ponekad i identifikovan. Iako radio talasi lako mogu biti generirani pri bilo kojoj željenoj snazi, amplituda vraćenog signala je uobičajeno vrlo mala. Međutim, radio signali se lako detektuju i pojačavaju puno puta. Zbog toga se radar koristi za detekciju objekata toliko malih da se za detekciju ne bi mogli koristiti svjetlošću ili zvukom. Radio talasi mogu prolaziti kroz objekte (npr. oblake, maglu, dim...) mnogo lakše od svetlost, omogućujući detekciju meta, čak i ako ni jedno drugo sredstvo za detekciju nije dostupno.
2
Elektromagnetski talasi se reflektuju (rasipaju) od bilo koje veće promene u dielektričnim i diomagnetskim konstantama. To znači da će čvrsti objekt u vazduhu ili vakuumu, ili bilo koja druga značajna promena u gustini atoma koji okružuju objekt odbiti radio talas. To je posebno naglašeno na elektro provodnim materijalima, kao što su metali i ugljena vlakna, što radar čini posebno korisnim za detekciju aviona i brodova. Radioupijajući materijali, koji sadrže otporne, a ponekad i magnetske materijale se koristi na vojnim vozilima za redukciju radarskog odraza. To je radio ekvivalent za bojenje nečega u crno. Radio talasi se rasipaju na mnogo različitih načina, zavisno od talasne dužine radio talasa i oblika mete. Ako je talasna dužina mnogo manja od mete, talas će se odbiti na vrlo sličan način na koji se svijetlost odbija od ogledala. Ako je talasna dužina mnogo veća od mete, mata je polarizovana (pozitivni i negativni potencijali su razdvojeni), kao dipolna antena. Ovo je objašnjeno Rayleighovim rasipanjem, efektom koji stvara plavo nebo i crvene zalazke sunca. Rani radari su koristili vrlo velike talasn dužine koje su bile veće od meta, pa su primali nejasne signale. Sadašnji radari koriste vrlo male talasne dužine (nekoliko centimetara), pa mogu otkriti objekte veličine kriške hleba. Kratki radio talasi se reflektuju od oblina i uglova, na vrlo sličan način kao odbljesak od zakrivljenog komada stakla. Najreflektivnije mete za kratke talase su oni sa uglom od 90° među površinama. Struktura koja se sastoji od tri ravne površine koje se sastaju u jednom uglu će uvjek reflektovati signal direktno natrag u prijemnik. Ti tzv. „ugaoni reflektori“ se koriste kao radar reflektori za označavanje teško detektabilnih objekata. Često se nalaze na brodovima kako bi se povečala šansa da ih pronađu u slučaju nezgode. Zbog sličnih razloga, objekti koji izbegavaju radiodetekciju će preurediti svoje uglove na takav način da se eliminišu unutrašnji uglovi i smanji radarski odraz. To je dovelo do pojave „čudnih“ nevidljivih aviona, poput B2 bombardera. Te mere ipak ne eliminišu refeksiju u potpunosti zbog difrakcije, posebno pri većim talasnim dužinama. Žice ili papirići elekrovodljivog materiala pola talasne dužine radara, kao npr. chaff su vrlo reflektivni, ali ne vraćaju rasutu energiju natrag prema izvoru. Mjera u kojoj neki objekt odbija ili rasipa radiotalase zove se radarski presek (radar cross section).
3
2.1.
Radarska jednačina
Količina snage Pr vraćene na prijamnik izražena je jednačinom:
Gdje su: Pr snaga odašiljača Gt dobitak na odašiljačkoj anteni Ar efektivna površina antene σ radarski presjek F faktor širenja Rt udaljenost od odašiljača do mete Rr udaljenost od mete do prijamnika
U najčešćem slučaju gdje se odašiljač i prijemnik nalaze na istom mestu, Rt = Rr i izraz Rt2 Rr2 mogu biti zamenjeni sa R4 , gdje je R domet. To daje:
Ovo pokazuje da primljena snaga pada kao domet na četvrtu, što znači da je reflektirana snaga od vrlo udaljenih meta vrlo, vrlo mala. Gornja jednačina (F=1) je pojednostavljena jednačina za vakum bez smetnji. Faktor širenja uračunava efekte višefaznost i zasjenjivanje i zavisi od okoline. U stvarnoj situaciji „pathloss“ efekti bi se takođe trebali uzeti u obzir. Ostali napredak u matematičkoj obradi redarskog signala uključuje i vremenskofrekvencijsku analizu (Weyl Heisenberg), kao i „chirplet transform“ 4
koji koristi činjenicu da se radarski signal vraća od pomičnoh meta vrlo „cvrkutavo“ (chirp). To znaći da menja frekvenciju po funkciji vremena, kao što to, sa zvukom radi ptica ili šišmiš. Maksimalni domet radara je rastojanje iza koga cilj više ne može biti detektovan. To se dešava kada je snaga na prijemu jednaka minimalnoj snazi koja se može detektovati, Pr min Maksimalni domet monostatićkog radara može se naći iz: Rmax =
√ 4
P t G 2 λ2 σ m 3
( 4 π ) Pr min
Ovo je pojednostavljena verzija, ne opisuje adekvatno performanse stvarnog radara. Daje veću vrednost dometa nego što je to u stvarnosti, čak i za faktor 2 ili više. Da bi se odredio domet radara, potrebno je uključiti i odnos signalšum. Sposobnost prijemnika radara da detektuje slabi reflektovani signal limitirana je šumom koji zauzima isti deo frekvencijskog spektra kao korisni signal. Zbog toga je kao kriterijum za ocenu mogućnosti detekcije radara bolje uzeti odnos signalšum nego minimalni signal koji se može detektovati. Na mikrotalasnim frekvencijama šum se u najvećoj meri generie u samom prijemniku. 2.2.
Doplerov efekat
Doplerov efekat predstavlja promenu frekvencije radarskog eho signala zbog postojanja razlike u brzinama izmedju radara i pokretnog cilja. Kada se objekat približava radaru frekvencija primljenog signala se povećava u odnosu na frekvenciju emitovanog signala i obrnuto.
5
Na slici je ilustrovano kako se menja frekvencija zvuka koja potiče od objekta koji se pomera, tj. kreće ka stacionarnom posmatraču Merenjem Doplerove frekvencije može se meriti brzina kretanja objekata. Pored eho signala od željenog cilja do radara stižu eho signali i od raznih drugih objekata u okruženju. Ovi drugi eho signali mogu čak biti ve}eg reda veličine od željenog eha, pa je onda teko detektovati željeni cilj. Zato, ako se cilj kreće u odnosu na okolinu, pogodno je iskoristiti to svojstvo radi odvajanja od ostalih objekata. Danas, svi savremeni radari visokih performansi za protivvazdušnu odbranu i za civilnu kontrolu vazdušnog saobra}aja koriste Doplerov efekat. Doplerov efekat se koristi kod FMCW Doplerovog radara, MTI radara, impulsnog Doplerovog radara itd. 3. Vrste radara Po dimenzijama, dometima i drugim karakteristikama radari se mogu veoma razlikovati. Radari mogu biti tako mali da se mogu držati u ruci, ili tako veliki da mogu zauzeti čitavo fudbalsko igralište. Dometi radara mogu se kretati od tako malih da se cilj skoro može dodirnuti, do tako velikih da se mogu dostići druge planete. Podela radara se uglavnom vrši po principu rada i karakteristikama na sledeće: 3.1.
Impulsni radar CW radar FMCW radar MTI radar Impulsni radar 6
Impulsni radar emituje kratkotrajne impulse velike snage, čime se značajno povećava efikasnost radara.
Talasni oblik emisionog signala impulsnog radara
T= 0.05T = 0.05 1ms (trajanje pulsa) Antena je istodobno odašiljač i prijemnik Prikazivanje izgleda kao kod osciloskopa štedi energiju lako ustanovljavanje trajanja pulsa Lako ustanovljavanje udaljenosti objekata Potrebna je samo jedna antena Mjerenje udaljenosti zavisi o tačnosti određivanja periode impulsa
Blok šema impulsnog radara
7
Primer jednostavnog aerodromskog osmatračkog radara
I , II –primopredajnici 1 paraboloidna reflektor antena, 2 primarni radijator u obliku levak antene, 3 polarizaciona rešetka, koja transformiše linearnu polarizaciju u kružnu i obratno, 4 obrtna spojnica, koja omogućava kontinualnu rotaciju antenskog sistema, 5 prekidač koji po potrebi uključuje primopredajnik I ili II, 6 veštačka antena (prilagođeni potrošač), 7 skretnica predajaprijem, 8 predajnik, 9 prijemnik, 8
10 talasovodi. 3.2.
FMCW Radar Continuous Wave Radar Mikrotalasni nosilac je frekvencijski modulisan Radio talasi se emituju neprekidno Ako se meta pomera, javlja se Dopplerov efekt Frekvencija reflektiranog talasa je različita od odaslanog talasa Moguće je ustanoviti brzinu mete Za određivanje udaljenosti potrebno je stalno mijenjati frekvenciju
odaslanog signala Veća udaljenost veći broj promena frekvencije Rezultati su precizniji nego kod pulsnog radara
Pojednostavljena šema FMCW radara
3.3.
MTI Radar
Ovaj radar koiristi Doplerov efekat za svoj rad. Često nije moguće izdvojiti pokretne mete u prisustvu stalnih statičkih eha, na ekranu radara. Na ekranu radara se vide mnoge smetnje usled ovih stacionarnih eha. Takođe je vrlo moguće da pokretna meta ima veličinu i pravac tako da se eho od pokretne mete superponire sa zemaljskim smetnjama. Takvi uslovi mogu postojati u planinskim predelima ili u blizini modernih gradova sa visokim zgradama. Drugi primer može da bude kada se pokretna meta odnosno avion
9
skriva iza drugih aviona. Ovo se radi zato da radar ne može da otkrije bombarder kako bi izbegao protiv vazdušnu odbranu. Princip rada MTI radara: kada se zele odstraniti smetnje usled stacionarnih tela, primenjuju se MTI radari. Osnovni princip rada MTI radara je da upoređuje skup primljenih eha sa onima u predhodnom pregledu radara, i izbacivati one elemente koji se ponavljaju. Pokretne mete ostavljaju pokretni eho tako da se one jedino i prikazuju. Tako se uklanja eho stacionarnih objekata tako da ostaje čistaslika na ekranu radara. Efekti zavisnosti od ugla eha su: Mete koje su veoma udaljene od radara, i dajusamo mali eho, su prikazane na radaru Verme primećivanja pokretnih objekata je veoma smanjeno usled izbacivanja nepotrebnih objekata. Eho sporih objekata ne može da prikrije objekte koji se kreću brzo.
4. Primena radara Vojne primene su najčešća primena radarskih sistema. Radar je važna komponenta sistema za vazdušnu odbranu kao i za operacije vezane za projektile i drugo oružje. Na primer, služi za osmatranje, pri čemu se vrši detekcija nekog objekta, prepoznavanje objekta, praženje objekta itd. Ako je u pitanju dejstvo oružjem uz radarsku kontrolu, onda radar prati cilj, usmerava oružje ka tom cilju itd. Kod dejstava pomoću projektila mogu se koristiti radarske tehnike za navodjenje projektila. Radari sa jako visokom rezolucijom koriste se za detektovanje fiksnih i pokretnih ciljeva na bojnom polju. Meteorologija, za osmatranje dešavanja u atmosferi u cilju predvidjanja vremenskih prilikaradarski sistemi su najvažnije sredstvo za prikupljanje podataka potrebnih za prognozu vremena. Druga izuzetno važna namena je u nacionalnim sistemima protivgradne zaštite. Kontrola civilnog vazdušnog saobraćaja, radari se koriste širom sveta za kontrolu vazdušnog saobraćaja u okolini aerodroma kao i duž puta izmedju dva aerodroma (koridora). 10
Kontrola drumskog saobraćaja, radari se široko koriste od strane saobraćajne policije za merenje brzine vozila, radi sprovodjenja zakonom propisanih ograničenja brzine. Bezbednost i navigacija u pomorskom saobraćaju, radari se koriste na brodovima i čamcima radi bezbednosti plovidbe i navigacije, naročito kada je vidljivost slaba. Osmatranje kosmosa, radarima su opremljene sve kosmičke letilice. Radari se izmedju ostalog koriste za osmatranje naše planete. Veliki radari smešteni na zemlji služe za detektovanje i praćenje satelita i drugih objekata u svemiru. U industriji i nauci, mogu se koristiti za razna beskontaktna merenja brzine i rastojanja, na primer kod istraživanja nafte i gasa, ili kretanja nekih životinja kao što su insekti ili ptice. Itd... 4.1.
Frekvencije rada radarskih sistema
Konvencionalni radari rade u mikrotalasnoj oblasti. Oni mogu raditi na različitim frekvencijama počev od MHz regiona do par stotina GHz. Postoje veći broj tačno definisanih frekvencijskih opsega u okviru kojih mogu raditi radarski sistemi. Oni su dodeljeni od strane Internacionalne telekomunikacione unije (ITU). Na primer, za rad radara u C opsegu (48 GHz) dodeljen je frekvencijski opseg 5.2505.925 GHz Još neki od frekvencijskih opsega rada radara su: X opseg policijski i meteorološki radari 8,5 – 10,55 GHz Ku opseg policijski radari 13,4 – 14 GHz i 15,7 – 17,7 GHz I na mnogim drugim frekvencijama u zavisnosti od primene. 4.2.
Ograničenja radara 11
Snaga reflektiranog zračenja zavisi od snage radara, refleksivnosti
povrine, udaljenosti ,između radara i mete, i odantene. Bitna je uloga polarizacije za izbjegavanje smetnji. Kružnom polarizacijom se smanjuju smetnje zbog kiše Šum nemoguće ga je eliminisati Naj jači izvor i šuma je odašiljač Toplotna zračenja iz okoline takodje ometaju signal
5. Stelt tehnologija
Stelt ili tehnologija slabe vidljivosti je jedna od naj ne shvaćenijih tehnologija od strane običnog čoveka. Stelt avioni se smatraju nevidljivima, a naročito zahvaljujući holovudskoj produkciji. Cilj razvoja stelt tehnologije u avijonskoj industriji nije samo zarad izbegavanja projetila, nego takođe i u tome da avijaciji pruži prednost u borbi i da omogući prikrivene operacje na neprijateljskoj teritoriji. Prosto rečeno stelt tehnologija omogućava avionima da budu slabo vidljivi odnosno delimično vidljivi za radar. Ova tehnologija smanjuje opseg detekcije stelt aviona. Koncept stelt tehnologije je veoma prost. On koristi principe refleksije i apsorbcije da bi učinio avion nevidljivim. Odbijanjem dolazećih talasa u drugom pravcu u odnosu na dolazeći, tako smanjujući količinu odbijenih talasa ka radaru. Ili korišćenjem specijalnih materijala koji prihvataju celokupnu energiju elektromagnetnu talasa i preusmeravaju je na drugu stranu. 6. Zaključak Radar i ako je nastao i razvio se za vojne potrebe, nalazi veoma veliku primenu u svakodnevnom životu, tj. civilnoj primeni. Zahvaljujući radarskim sistemima plovidba morem i let civilnim avionima je veoma bezbedan. Ali radarski sistemi nisu u primeni samo u saobraćaju, nego se primenjuju i u medicini gde sa novim tehnologijama omogućava pravovremeno otkrivanje degenerativnih promena u ljutskom organizmu. Razvoj radara se svakako nastavlja digitalizacijom onosno uključivanjem kompjuterske kehnologije u njihov rad. Sto za rezultat ima sve veču rezoluciju i osetljivost radaskih sistema. 12
7. Literatura Radarski sistemi, prof. dr. Vera Marković Doplerova efekta, HencBartolic Internet prezentacije poput: http://www.totalairdominance.50megs.com http://en.wikipedia.org/wiki/Radar I slično.
13