เรดาร์คือชุดของวิธีการทางวิทยาศาสตร์และวิธีการทางเทคนิคที่ใช้ในการกำหนดพิกัดและลักษณะของวัตถุโดยใช้คลื่นวิทยุ วัตถุที่อยู่ภายใต้การตรวจสอบมักถูกเรียกว่าเป้าหมายเรดาร์ (หรือเพียงแค่เป้าหมาย)
หลักการของเรดาห์
อุปกรณ์วิทยุและสิ่งอำนวยความสะดวกที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานเรดาร์เรียกว่าระบบเรดาร์หรืออุปกรณ์ (เรดาร์หรือเรดาร์) พื้นฐานของเรดาร์จะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์และคุณสมบัติทางกายภาพดังต่อไปนี้:
- ในสื่อการแพร่กระจาย คลื่นวิทยุ วัตถุที่พบที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าต่างกัน จะกระจัดกระจายอยู่บนนั้น คลื่นที่สะท้อนจากเป้าหมาย (หรือรังสีของมันเอง) ทำให้ระบบเรดาร์ตรวจจับและระบุเป้าหมายได้
- ในระยะทางไกล การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุจะถือว่าเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ในตัวกลางที่รู้จัก สมมติฐานนี้ทำให้สามารถวัดช่วงไปยังเป้าหมายและพิกัดเชิงมุมได้ (โดยมีข้อผิดพลาดบางประการ)
- ตามเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ ความถี่ของสัญญาณสะท้อนที่ได้รับจะคำนวณความเร็วในแนวรัศมีของจุดแผ่รังสีเกี่ยวกับ RLU
ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
ความสามารถของคลื่นวิทยุในการสะท้อนกลับถูกชี้ให้เห็นโดยนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ G. Hertz และวิศวกรไฟฟ้าชาวรัสเซีย A. S. Popov ในปลายศตวรรษที่ 19 ตามสิทธิบัตรลงวันที่ 1904 เรดาร์ตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยวิศวกรชาวเยอรมัน K. Hulmeier อุปกรณ์ซึ่งเขาเรียกว่ากล้องส่องทางไกลถูกใช้บนเรือที่ไถแม่น้ำไรน์ ในการเชื่อมต่อกับการพัฒนาเทคโนโลยีการบิน การใช้เรดาร์ดูมีแนวโน้มมากในฐานะที่เป็นองค์ประกอบของการป้องกันภัยทางอากาศ การวิจัยในพื้นที่นี้ดำเนินการโดยผู้เชี่ยวชาญชั้นนำจากหลายประเทศทั่วโลก
ในปี 1932 Pavel Kondratievich Oshchepkov นักวิจัยจาก LEFI (สถาบัน Leningrad Electrophysical Institute) ได้บรรยายถึงหลักการพื้นฐานของเรดาร์ในงานของเขา เขาร่วมกับเพื่อนร่วมงาน B. K. เชมเบลและวี.วี. Tsimbalin ในฤดูร้อนปี 1934 ได้สาธิตการติดตั้งเรดาร์ต้นแบบที่ตรวจจับเป้าหมายที่ระดับความสูง 150 ม. ที่ระยะ 600 ม.
ประเภทของเรดาร์
ธรรมชาติของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของเป้าหมายทำให้เราพูดถึงเรดาร์ได้หลายประเภท:
- เรดาร์แบบพาสซีฟสำรวจรังสีของตัวเอง (ความร้อน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ) ที่สร้างเป้าหมาย (จรวด เครื่องบิน วัตถุในอวกาศ)
- เปิดใช้งานโดยมีการตอบกลับแบบแอ็คทีฟ หากวัตถุนั้นติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณและการโต้ตอบกับวัตถุนั้นเองเกิดขึ้นตามอัลกอริทึม "คำขอ - ตอบกลับ"
- แอคทีฟพร้อมการตอบสนองแบบพาสซีฟเกี่ยวข้องกับการศึกษาสัญญาณวิทยุสำรอง (สะท้อน) สถานีเรดาร์ในกรณีนี้ประกอบด้วยเครื่องส่งและเครื่องรับ
- เรดาร์กึ่งแอ็คทีฟเป็นกรณีพิเศษของแอคทีฟ ในกรณีที่เครื่องรับรังสีสะท้อนอยู่นอกเรดาร์ (เช่น เป็นองค์ประกอบโครงสร้างของขีปนาวุธนำวิถี)
แต่ละสายพันธุ์มีข้อดีและข้อเสียต่างกัน
วิธีการและอุปกรณ์
เรดาร์ทั้งหมดตามวิธีที่ใช้จะถูกแบ่งออกเป็นเรดาร์แบบต่อเนื่องและแบบพัลซิ่ง
อันแรกมีเครื่องส่งและเครื่องรับรังสีที่ทำหน้าที่พร้อมกันและต่อเนื่อง ตามหลักการนี้ อุปกรณ์เรดาร์ตัวแรกถูกสร้างขึ้น ตัวอย่างของระบบดังกล่าว ได้แก่ เครื่องวัดระยะสูงด้วยคลื่นวิทยุ (อุปกรณ์เครื่องบินที่กำหนดระยะห่างของเครื่องบินจากพื้นผิวโลก) หรือเรดาร์ที่ผู้ขับขี่ทุกคนรู้จักเพื่อกำหนดความเร็วของยานพาหนะ
ในวิธีพัลซิ่ง พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาเป็นพัลส์สั้น ๆ ภายในไม่กี่ไมโครวินาที หลังจากสร้างสัญญาณแล้ว สถานีจะทำงานสำหรับการรับสัญญาณเท่านั้น หลังจากจับและบันทึกคลื่นวิทยุที่สะท้อนแล้ว เรดาร์จะส่งพัลส์ใหม่และวนซ้ำ
โหมดการทำงานของเรดาร์
สถานีเรดาร์และอุปกรณ์มีโหมดการทำงานสองโหมดหลัก อย่างแรกคือการสแกนพื้นที่ ได้ดำเนินการอย่างเคร่งครัดระบบ. ด้วยการทบทวนตามลำดับ การเคลื่อนที่ของลำแสงเรดาร์อาจเป็นวงกลม เกลียว รูปทรงกรวย และมีลักษณะเป็นเซกเตอร์ ตัวอย่างเช่น อาร์เรย์เสาอากาศจะค่อยๆ หมุนเป็นวงกลม (ในแนวราบ) ในขณะที่สแกนระดับความสูงพร้อมกัน (เอียงขึ้นและลง) ด้วยการสแกนแบบขนาน การตรวจทานจะดำเนินการโดยลำแสงเรดาร์ แต่ละคนมีผู้รับของตัวเอง กระแสข้อมูลจำนวนมากกำลังประมวลผลพร้อมกัน
โหมดติดตามบอกเป็นนัยถึงทิศทางคงที่ของเสาอากาศไปยังวัตถุที่เลือก เพื่อให้เป็นไปตามวิถีการเคลื่อนที่ของเป้าหมายที่เคลื่อนที่ จะใช้ระบบติดตามอัตโนมัติแบบพิเศษ
อัลกอริทึมสำหรับกำหนดช่วงและทิศทาง
ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศคือ 300,000 km/s ดังนั้น เมื่อทราบเวลาที่ใช้โดยสัญญาณออกอากาศเพื่อให้ครอบคลุมระยะทางจากสถานีไปยังเป้าหมายและย้อนกลับ จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะคำนวณระยะทางของวัตถุ ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องบันทึกเวลาของการส่งพัลส์และโมเมนต์ของการรับสัญญาณที่สะท้อนให้ถูกต้อง
ในการรับข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งของเป้าหมาย จะใช้เรดาร์ที่มีทิศทางสูง การกำหนดมุมราบและระดับความสูง (ระดับความสูงหรือระดับความสูง) ของวัตถุทำโดยเสาอากาศที่มีลำแสงแคบ เรดาร์สมัยใหม่ใช้อาร์เรย์เสาอากาศแบบแบ่งระยะ (PAR) สำหรับสิ่งนี้ ซึ่งสามารถตั้งค่าลำแสงที่แคบลงและมีลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วในการหมุนที่สูง ตามกฎแล้ว ขั้นตอนการสแกนพื้นที่จะดำเนินการอย่างน้อยสองคาน
พารามิเตอร์ระบบหลัก
จากลักษณะทางยุทธวิธีและทางเทคนิคของอุปกรณ์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพและคุณภาพของงาน
ตัวชี้วัดทางยุทธวิธีของเรดาร์ประกอบด้วย:
- ดูพื้นที่ถูกจำกัดโดยช่วงการตรวจจับเป้าหมายต่ำสุดและสูงสุด มุมราบและมุมเงยที่อนุญาต
- ความละเอียดในระยะ ราบ ระดับความสูง และความเร็ว (ความสามารถในการกำหนดพารามิเตอร์ของเป้าหมายที่อยู่ใกล้เคียง)
- ความแม่นยำในการวัด ซึ่งวัดจากการมีข้อผิดพลาดโดยรวม เป็นระบบ หรือแบบสุ่ม
- ภูมิคุ้มกันเสียงและความน่าเชื่อถือ
- ระดับของระบบอัตโนมัติสำหรับการดึงและประมวลผลกระแสข้อมูลขาเข้า
ลักษณะทางยุทธวิธีที่ระบุจะถูกวางลงเมื่อออกแบบอุปกรณ์ผ่านพารามิเตอร์ทางเทคนิคบางอย่าง ซึ่งรวมถึง:
- ความถี่ของผู้ให้บริการและการมอดูเลตของการแกว่งที่สร้างขึ้น;
- รูปแบบเสาอากาศ
- พลังของอุปกรณ์ส่งและรับ
- ขนาดและน้ำหนักโดยรวมของระบบ
ปฏิบัติหน้าที่
เรดาร์เป็นเครื่องมือสากลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการทหาร วิทยาศาสตร์ และเศรษฐกิจของประเทศ พื้นที่การใช้งานมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่องอันเนื่องมาจากการพัฒนาและปรับปรุงวิธีการทางเทคนิคและเทคโนโลยีการวัดผล
การใช้เรดาร์ในอุตสาหกรรมการทหารช่วยให้เราแก้ปัญหาสำคัญๆ ในการตรวจสอบและควบคุมพื้นที่ ตรวจจับเป้าหมายเคลื่อนที่ทางอากาศ ทางบก และทางน้ำ ปราศจากเรดาร์ เป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการถึงอุปกรณ์ที่รองรับข้อมูลของระบบนำทางและระบบควบคุมการยิงปืน
เรดาร์ทหารเป็นองค์ประกอบหลักของระบบเตือนขีปนาวุธเชิงกลยุทธ์และการป้องกันขีปนาวุธแบบบูรณาการ
ดาราศาสตร์วิทยุ
ส่งจากพื้นผิวโลก คลื่นวิทยุยังสะท้อนจากวัตถุในอวกาศใกล้และไกล รวมทั้งจากเป้าหมายใกล้โลกด้วย วัตถุในอวกาศจำนวนมากไม่สามารถตรวจสอบได้อย่างเต็มที่โดยใช้เครื่องมือเกี่ยวกับการมองเห็น และมีเพียงการใช้วิธีเรดาร์ในทางดาราศาสตร์เท่านั้นที่ทำให้สามารถรับข้อมูลที่สมบูรณ์เกี่ยวกับธรรมชาติและโครงสร้างของวัตถุได้ เรดาร์แบบพาสซีฟสำหรับการสำรวจดวงจันทร์ถูกใช้ครั้งแรกโดยนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันและฮังการีในปี 1946 ในช่วงเวลาเดียวกัน สัญญาณวิทยุจากนอกโลกก็บังเอิญได้รับเช่นกัน
ในกล้องโทรทรรศน์วิทยุสมัยใหม่ เสาอากาศรับสัญญาณจะมีรูปทรงชามทรงกลมเว้าขนาดใหญ่ (เช่น กระจกสะท้อนแสง) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เท่าใด สัญญาณที่เสาอากาศก็จะยิ่งอ่อนลงเท่านั้น บ่อยครั้ง กล้องโทรทรรศน์วิทยุทำงานในลักษณะที่ซับซ้อน ไม่เพียงแต่รวมอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้กันเท่านั้น แต่ยังตั้งอยู่ในทวีปต่างๆ ด้วย งานที่สำคัญที่สุดของดาราศาสตร์วิทยุสมัยใหม่คือการศึกษาพัลซาร์และดาราจักรที่มีนิวเคลียสที่ทำงานอยู่ การศึกษาสสารในอวกาศ
งานโยธา
ในการเกษตรและป่าไม้เรดาร์อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการรับข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายและความหนาแน่นของมวลพืช ศึกษาโครงสร้าง พารามิเตอร์และชนิดของดิน และการตรวจจับไฟทันเวลา ในภูมิศาสตร์และธรณีวิทยา เรดาร์ถูกใช้เพื่อทำงานเกี่ยวกับภูมิประเทศและธรณีสัณฐานวิทยา กำหนดโครงสร้างและองค์ประกอบของหิน และค้นหาแหล่งแร่ ในด้านอุทกวิทยาและสมุทรศาสตร์ ใช้เรดาร์เพื่อติดตามสถานะทางน้ำหลัก หิมะและน้ำแข็งปกคลุม และทำแผนที่ชายฝั่ง
เรดาร์คือผู้ช่วยที่จำเป็นสำหรับนักอุตุนิยมวิทยา เรดาร์สามารถค้นหาสถานะของบรรยากาศได้อย่างง่ายดายในระยะทางหลายสิบกิโลเมตร และด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับ การคาดการณ์จะถูกสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศในพื้นที่เฉพาะ
อนาคตของการพัฒนา
สำหรับสถานีเรดาร์สมัยใหม่ เกณฑ์การประเมินหลักคืออัตราส่วนของประสิทธิภาพและคุณภาพ ประสิทธิภาพหมายถึงลักษณะการทำงานทั่วไปของอุปกรณ์ การสร้างเรดาร์ที่สมบูรณ์แบบเป็นงานด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์และเทคนิคที่ซับซ้อน ซึ่งการดำเนินการดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ด้วยการใช้ความสำเร็จล่าสุดในด้านเครื่องกลไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ สารสนเทศ และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ พลังงาน
ตามการคาดการณ์ของผู้เชี่ยวชาญ ในอนาคตอันใกล้นี้ หน่วยการทำงานหลักของสถานีที่มีความซับซ้อนและวัตถุประสงค์ระดับต่างๆ จะเป็นโซลิดสเตตแอกทีฟเฟสอาร์เรย์ (อาเรย์เสาอากาศแบบค่อยเป็นค่อยไป) ซึ่งแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล. การพัฒนาคอมเพล็กซ์คอมพิวเตอร์จะทำให้การควบคุมและฟังก์ชันพื้นฐานของเรดาร์เป็นไปโดยอัตโนมัติ โดยให้ผู้ใช้ได้รับการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมของข้อมูลที่ได้รับ
