معرفی اصول سیستم‌های رادار

پشت آنتن یک فرستنده (transmitter) و یک گیرنده (receiver) وجود دارد. آنتن امواج مایکروویو را از فرستنده دریافت و بصورت پالسی از انرژی به خارج میفرستد. با برخورد به هدف (target) مقداری از انرژی پراکنده شده در جهت رادار باز می‌گردد.

از طریق اندازه‌گیری زمان تاخیر (delay time) می‌توانیم فاصله‌ی بین تارگت و رادار (range) را محاسبه کنیم.

با اندازه گیری جهت رادار، ارتفاع (elevation) و آزیموت (azimuth) را محاسبه می‌کنیم.

با اندازه‌گیری دامنه (amplitude) موج بازگشتی، اندازه تارگت (Radar Cross Section) را محاسبه می‌کنیم.

با اندازه‌گیری شیفت فرکانس (اثر داپلر)، سرعت تارگت را محاسبه می‌کنیم.

هنگامی که رادار را روشن کرده و یک پالس میفرستیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

ابتدا در بلوک Waveform Generator، موجی تولید می‌کنیم. دامنه موج را در بلوک Transmitter تقویت می‌کنیم.

سوئیچ
سوئیچ

موج سپس وارد یک سوئیچ می‍شود که اجازه می‌دهد انرژی (پالس) میکروویو به سمت آنتن برود اما هیچ انرژی توسط receiver در این مرحله دریافت نمی‌شود.

پالس توسط آنتن در فضایی که قرار است وجود یا عدم وجود تارگت در آن را تشخیص دهیم، منتشر می‌شود. پالس به تارگت برخورد کرده و مقداری از آن به سمت آنتن بازتاب می‌یابد.

به محض ارسال پالس توسط فرستنده، این واحد خاموش می‌شود و گیرنده (receiver) منتظر دریافت انعکاس موج می‌شود. سپس بلوک مبدل آنالوگ به دیجیتال، پالس دریافتی جهت سهولت پردازش، رقومی می‌شود.

در بخش Pulse Compression از Signal Processor سعی میکنیم از پالس دریافتی به بهترین رزولوشن ممکن برسیم. در بلوک Doppler Processing نیز بررسی می‌کنیم که آیا فرکانس پالس دریافتی شیفتی نسبت به فرکانس پالس ارسالی دارد یا خیر.

در قسمت Detection از طریق مقایسه‌ی دامنه‌ی موج دریافتی با حد آستانه (Threshold) از پیش تعیین شده، وجود تارگت را تشخیص می‌دهیم.




طول موج امواج رادار در اکثر موارد از مرتبه‌ی میلی‌متر تا 100 متر است.

راستای میدان اکتریکی موج الکترومغناطیس پلاریزاسیون نامیده می‌شود. به عنوان مثال در شکل بالا پلاریزاسیون عمودی است.

موج با پلاریزاسیون دایره‌ای نتیجه ترکیب دو موج با دامنه یکسان است که نسبت به هم اختلاف فاز 90 درجه دارند.

https://youtu.be/Fu-aYnRkUgg

ترکیب دو موج با دامنه یکسان و اختلاف فاز 180 درجه، تداخل ویرانگر (destructive wave interference) خواهد بود.

باندهای رادار را می‌توان بصورت زیر نمایش داد.

چهار باند اصلی (L، S، C و X) فرکانس 1 گیگاهرتز تا 12 گیگاهرتز دارند و لذا طول موج آنان بین 30 سانتی‌متر تا 2.5 سانتی‌‌متر متغیر است.

دلیل انتخاب باندهای C، X و Ku برای رادارهای تصویربرداری این است که رسیدن به رزولوشن بالا در این فرکانس‌ها ساده‌تر است (چرا؟).

چون رزولوشن با پهنای باند نسبت عکس دارد و رسیدن به پهنای باند (Bandwidth) بالا در فرکانس‌های بالاتر ساده‌تر است.

دلیل ساده‌تر بودن ایجاد پهنای باند بزرگتر در فرکانس‌های بالا این است که:

  • پهنای باند عموما به صورت درصدی از فرکانس مرکزی تولید می‌شود لذا هرچه فرکانس مرکزی بزرگتر باشد، پهنای باند بالاتر خواهد بود.
  • در فرکانس‌های بالا تعداد کاربران کمتر است لذا به لحاظ عملی رسیدن به پهنای باند بزرگتر در این فرکانس‌ها احتمال بالاتری دارد.



معادله‌ی رادار:

واضح هست که هرچه توان موج پالس ارسالی بالاتر باشد، انرژی سیگنال دریافتی بالاتر خواهد بود پس Pt در سایر اجزا ضرب می‌شود.

آنتنی همسانگرد (isotropic) در نظر بگیرید که انرژی را به صورت یکنواخت در تمامی جهت‌ها ارسال می‌کند.

در این صورت چگالی انرژی در فاصله‌ی R از آنتن عبارت خواهد بود از:

چنانچه آنتن دارای جهت‌گیری باشد و انرژی را در جهت خاصی بیش از سایر جهت‌ها گسیل دارد.

کمیتی با نام Transmit Gain با نماد Gt در رابطه بالا ضرب می‌شود.

طبق تعریف Gt عبارت است از نسبت بین چگالی انرژی دریافتی از آنتن دارای جهت گیری به چگالی انرژی دریافتی از آنتن همسانگرد.

که از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید

در رابطه‌ی بالا A مساحت سطح آنتن (Apaerture) است. Spread Factor معکوس مساحت جانبی کره‌ای به شعاع R است. توجه شود که این شاخص دو بار در رابطه‌ی بالا ضرب می‌شود چون موج از آنتن منتشر شده و دوباره به سوی آن بازتاب می‌یابد. L یا Losses نشانگر اتلاف انرژی در نتیجه وجود عواملی همچون اصطکاک در اتمسفر و ... است. واضح است که هرچه میزان اتلاف بیشتر باشد، انرژی کمتری دریافت خواهد شد، لذا در رابطه‌ی بالا، سایر عوامل در معکوس L ضرب خواهند شد.

سطح مقطع راداری (RCS) که در رابطه‌ی بالا توسط سیگما نمایش داده شده است، بر خلاف نام آن از ویژگی‌های تارگت است که توسط رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود.

هرچه اندازه RCS بزرگ‌تر باشد، میزان انرژی دریافتی توسط آنتن از بازتاب پالس الکترومغناطیس بیشتر خواهد بود. لذا Received Signal Energy و سطح مقطع راداری رابطه‌ی مستقیم دارند.

هرچه مساحت آنتن بیشتر باشد، انرژی بیشتری دریافت خواهد شد لذا receive aperture در رابطه‌ی بالا بصورت ضرب مستقیم خواهد بود.

هرچه زبان بیشتری صرف جستجوی تارگت شده باشد، انرژی بیشتری از پژواک ارسالی دریافت خواهد شد لذا dwell time در رابطه بالا به‌صورت ضرب مستقیم وارد خواهد شد.

نسبت سیگنال به نویز کمیتی است که برحسب دسی‌بل بیان می‌شود و توانایی رادار جهت تشخیص تارگت را نشان می‌دهد.



در اکثر رادارها پالسی از انرژی ارسال می‌شود و سپس رادار مدت زمانی را صرف ردیابی پژواک کرده و دوباره پالس دیگری ارسال می‌کند.

کسر زمانی که Transmitter روشن است، duty cycle می‌باشد.