هندسة تطبيقية

الردار

الرادار أو الردَار أو الكاشوف (بالإنجليزية: Radar)‏ هو نظام يستخدم موجات كهرومغناطيسية للتعرف على بعد وارتفاع واتجاه وسرعة الأجسام الثابتة والمتحركة، كالطائرات والسفن والعربات وحالة الطقس وشكل التضاريس. يبعث جهاز الإرسال موجات لاسلكية تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال. وتكون الموجات المرتدة إلى المستقبل ضعيفة، فيعمل جهاز الاستقبال على تضخيم تلك الموجات مما يسهل على الكاشوف أن يميز الموجات المرسلة عن طريقه من الموجات الأخرى كالموجات الصوتية وموجات الضوء. يُستخدم الكاشوف في مجالات عديدة كالأرصاد الجويّة لمعرفة موعد هطول الأمطار والمراقبة الجوية ومن قبل الشرطة لكشف السرعة الزائدة، وأخيراً والأهم استخدامه بالمجال العسكري. سمي الرادار بهذا الاسم اختصارًا للعبارة الانجليزية (RAdio Detection And Ranging). وتعني الكشف وتحديد المدى بالموجات اللاسلكية.

أساسيات عمل الكاشوف

الانعكاس

تنعكس الموجات الكهرومغناطيسية، وأحيانًا 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 اللاسلكية، وتنطبق هذه الظاهرة على الموصلات الكهربائية كالمعادن والألياف الكربونية والتي تساعد الكاشوف على الكشف على الطائرات والسفن بسهولة.

تحتوي المواد التي تمتص موجات الكاشوف على مقاومة ومواد مغناطيسية وتستخدم بالعربات العسكرية لخفض انعكاس الموجات، وكذلك الحال بالنسبة للأصباغ الداكنة.

تتشتت موجات الكاشوف بعدة أشكال اعتمادا 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. استخدمت الكواشف المبكرة 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.

تنعكس الموجات اللاسلكية القصيرة من الزوايا والمنحنيات بطريقة مشابهة للمعان قطعة زجاج مدورة. وللأهداف الأكثر عكسا للموجات القصيرة زوايا يصل قياسها إلى 90 درجة بين الأسطح المنعكسة، الجسم الذي يحتوي على 3 أسطح تلتقي بزاوية واحدة كزاوية علبة، تعكس الموجات الداخلة إليها مباشرة إلى المصدر وتسمى بالزوايا العاكسة وهذه الطريقة تستعمل لتسهيل الكشف الرإداري وتوجد بالقوارب لتسهيل حالات الإنقاذ وتقليل الاصطدامات.

وهناك أنواع من الأجسام المصممة لتجنب الكشف الراداري، وذلك بعمل زوايا أجسامها بطريقة تمنع الكشف، حيت أن حوافها تكون عمودية لاتجاه الكشف مما يقود لاتجاه العكس كما بطائرة الشبح، ومع ذلك فإن التخفي لا يكون كاملا بسبب عامل انحراف الموجات وخاصة للموجات الطويلة.

معادلة الكاشوف

كمية الطاقة للإشارة المرتدة إلى الكاشوف المرسل تعطى بالمعادلة التالية:

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}$

في حال كان جهاز الإرسال والاستقبال على نفس الموضع فستكون المسافة المرسلة إلى الهدف هي نفسها.

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}}$

حيث أن:

• P_t = الطاقة المرسلة
• G_t = زيادة إرسال الهوائي (معامل التضخيم)
• A_r = مساحة سطح هوائي الاستقبال الفعالة
• σ = المقطع العرضي للرادار
• F = عامل الانتشار
• R_t = المسافة أو المدى بين المرسل والهدف
• R_r = المسافة أو المدى بين المستقبل والهدف
• R = المسافة أو المدى بين المرسل أو المستقبل والهدف (في حال كانا في نفس الموضع)

يلاحظ من خلال المعادلة أن كمية طاقة الإشارة المرتدة تضعف إلى مستوى أقل من ربع طاقة المدى مما يعني أن قوة الإشارة المستلمة تكون ضعيفة جدا.

عامل الانتشار=1 في حالة الفراغ مما يفيد بعدم وجود أي تشويش، وهذا العامل ينسب إلى تأثير الانتشار والتضليل وطبيعة البيئة المحيطة وحتى الفقدان خلال الطريق. بعض المعادلات الرياضية التي تطور إشارة الكاشوف تضيف تصنيف زمن التردد (المويجة) وتستخدم في كشف الأهداف المتحركة.

الاستقطاب

يتعامد المجال الكهربائي لإشارات الكاشوف المرسلة مع اتجاه الموجة، واتجاه هذا المجال يكون هو استقطاب الموجة، وبالتالي فإن قطبية الكاشوف تكون إما أفقية أو عمودية أو على شكل خط مستقيم أو دائرية، حتى يمكنه الكشف على عدة أنواع من الانعكاسات، فمثلا الاستقطاب الأفقي يستخدم لتقليل التشويش الآتي من المطر، والاستقطاب المعاد على خط مستقيم يستخدم للتعريف على الأجسام المعدنية، والاستقطاب العشوائي المعاد يدل على الأسطح الصغيرة والأجسام الصلبة كالصخور والأرض وهذا النوع من الكواشف يستخدم لمراقبة الملاحة الجوية.

التداخل

يهدف نظام الكاشوف إلى تخطي بعض الإشارات غير المرغوبة الناشئة من مصادر داخلية أو خارجية، سواء سلبية أو إيجابية، حتى تظهر الأهداف الحقيقية. وتعرف تلك المقدرة على تخطي موجات التشويش بنسبة الإشارة إلى الضجيج، (بالإنجليزية: signal to noise ratio, SNR)‏، وكلما كانت النسبة سالفة الذكر مرتفعة كلما كانت نقاوة الموجة المستقبلة أفضل.

الضوضاء

إشارة الضوضاء هي مصدر داخلي من الاختلافات المتعددة للإشارة، وتشكلت إلى حد ما من قبل القطع الإلكترونية الداخلية. وهي مضافة بشكل عشوائي على الموجة المرتدة بالكاشوف المستقبل، وكلما ضعفت الإشارة المستقبلة كلما زادت صعوبة تطهيرها من الضجيج، وأفضل مثال على ذلك هو سماع همسات بجانب طريق مزدحم. لذلك من الأهمية تقليل تلك الضوضاء بتقليل عواملها، وتقاس تلك الضوضاء المنتجة داخل الجهاز المستقبل مقارنة مع الجهاز المثالي وكلما قلت الكمية المقروءة كلما كان الاستقبال أفضل.

هناك ضوضاء ذات مصدر خارجي يكون سببها عادة الحرارة الطبيعية المحيطة بالهدف. في أنظمة الكاشوف الحديثة، تكون أجهزة الاستقبال ذات كفاءة بحيث أن الضوضاء الداخلية تكون بسيطة وأقل حدة من الضوضاء الخارجية. أيضا هناك ما يعرف بالضوضاء المتقطعة، التي تظهر خلال مرور الإلكترونات وتكون ذات علاقة عكسية مع الموجة، بمعنى أنه كلما زادت قوة الموجة كلما قلت تلك الضوضاء بشكل كبير. يستخدم الكاشوف النبضي النظام التمازجي، بمعنى اقتران ترددين.

الموجة المزعجة

يرجع مصدر الموجة المزعجة أو الفوضوية إلى الموجة اللاسلكية الحقيقية، وهي عبارة عن صدى لموجة تعود من الهدف غير ذات فائدة بالنسبة للعامل على الكاشوف. ومن الأهداف التي تحتوي على الموجة الفوضوية:

• الأجسام طبيعية كالأرض والبحر، والمنتشرة كالمطر والثلج والأعاصير الرملية والجوية والحيوانات وتأثير الغلاف الجوي والنيازك الصغيرة وحتى الأجسام المبتكرة من قبل البشرية كالمباني أو مضادات الكواشف كالشذرات والخدع الرإدارية.
• تظهر إحدى أشكال التشويش بسبب طول كبل مرشد الموجة (بالإنجليزية: waveguide)‏ ما بين جهاز المرسل-المستقبل (بالإنجليزية: transceiver)‏ وبين الهوائي، بشاشات الكاشوف ذات مبين الموقع الإسقاطي (بالإنجليزية: plan position indicator, PPI)‏ عليها ورادارها الدوار، حيث تظهر نقط أشبه بالومضات بمنتصف الشاشة تكون عادة بسبب صدى الغبار الذي يسبب تغيير بالإشارة اللاسلكية. معظم تلك الومضات تكون بسبب انعكاس الموجات المرسلة قبل خروجها من الهوائي، وفي سبيل التقليل من تلك الومضات ينبغي تغيير التوقيت ما بين لحظة الإرسال واللحظة التي يبدأ الاستقبال بالعمل.
• بعض الموجات المزعجة تكون غير معرفة لبعض الكواشف، ومثال ذلك غيوم الأعاصير التي لا يتعرف عليها كاشوف أسلحة الدفاع الجوي ولكنها معرفة بكواشف الأرصاد الجوية، بتلك الحالة تعتبر هذه الموجة سلبية بسبب عدم الحاجة لها. هناك عدة طرق لكشف وتحييد تلك الموجات التي تعتبر بتلك الحالة مزعجة، وتعتمد تلك الطرق على ظهور الموجة المزعجة ثابتة خلال الكشف الرإداري، لذلك عند مقارنة تسلسل صدى الكشف يلاحظ أن الموجات المرغوبة تتحرك بينما جميع موجات الصدى الثابتة تختفي من على الشاشة.
• موجات البحر الفوضوية تقلل بواسطة الاستقطاب الأفقي والمطر يقلل بواسطة الاستقطاب الدائري. يلاحظ أنه بحالة كاشوف الأرصاد الجوية تكون تلك الخصائص مطلوبة لذلك يستعمل استقطاب الخط المستقيم لكشف المطر وحالة البحر وغيرهما. هناك طريقة تسمى "ثابت معدل الإنذارات الكاذبة" (بالإنجليزية: Constant False-Alarm Rate)‏، وهي شكل من أشكال ضبط الزيادة التلقائية (بالإنجليزية: Automatic Gain Control)‏، وهي تعتمد على كون صدى الموجات الفوضوية الراجعة أكثر بكثير من صدى الأهداف المرغوبة، وبالتالي فإن زيادة الجهاز المستقبل ستعدل تلقائيا للمحافظة على المعد الثابت للموجات الفوضوية المرئية، وقد لا يمكن لهذا الجهاز أن يعمل بكفاءة في حالة استقبال هدف يكون مغلفاً بموجة فوضوية قوية، ولكن له المقدرة على تمييز مصدر الموجات القوية. كان ضبط الزيادة التلقائية يتم التحكم به إلكترونيا في السابق، لكن حاليا أصبح مبرمجا ويسيطر على الزيادة مع قابلية أكثر للتعديل للكشف عن خلايا محددة بالكاشوف.
• قد تنشأ بعض الموجات الفوضوية من صدى ذي مسارات متعددة صادر عن هدف حقيقي وذلك بسبب الانعكاسات الأرضية والغلاف الجوي أو انعكاس الغلاف الأيوني. يعتبر هذا النوع من الموجات الفوضوية مزعجا بالنسبة للبعض بسبب أنها تتحرك وتتصرف كهدف حقيقي، الأمر الذي ينتج عنه ما يسمى بالأشباح أو الخيال.

ومثال هذا: صدى الطائرة إلى الكاشوف هو انعكاس من عدة اتجاهات من الأرض ومن فوق الهدف يظهر على جهاز الاستقبال كهدف حقيقي تحت الهدف الأصلي. قد يحاول الكاشوف أن يوحد الأهداف معطيا للهدف ارتفاع غير حقيقي أو قد يمنعها بالمرة وهو الاحتمال الأسوأ، بسبب اختلاف المعطيات للهدف أو لأن التطبيقات تكون غير ممكنة. يمكن التغلب على تلك المشاكل بواسطة دمج الخريطة بالكاشوف ومنع جميع أنواع الصدى التي تظهر تحت الأرض أو فوق ارتفاع معين.

تستخدم الأنواع الحديثة من الكواشف الأرضية للمطارات الخوارزميات للتعرف على الأهداف المزيفة بواسطة مقارنة النبضات الآتية حديثا مع المجاورة معها، مثل حساب الراجع غير المحتمل مثل حساب الارتفاع والمسافة والتوقيت ما بين الإرسال والاستقبال.

التشويش

إن مصدر تشويش الردار هو الموجات اللاسلكية الناشئة من خارج النظام، وهي ترسل على موجة الردار وتخفي الأهداف المرغوبة. قد يكون التشويش متعمدا، كما في حالة الأسلحة المضادة للردارات المستخدمة في الحروب الإلكترونية، وقد يكون غير متعمد كما في حالة موجات الردارات الصديقة التي تعمل على نفس الموجة الرإدارية. ينظر إلى التشويش على أنه قوة تداخل فعالة، لأنها تنشأ من عناصر خارج النظام غير مرتبطة بإشارات الردار.

يعتبر التشويش مشكلة معقدة، ذلك لأن الموجة المشوشة تحتاج أن تتوجه إلى الكاشوف المعني دون حاجة للرجوع، بينما موجة الكاشوف تتجه ذهابا وإيابا: الكاشوف-الهدف-الكاشوف، فتقل قوتها بشكل ملموس مع عودتها للمستقبِل. تحتاج أجهزة التشويش إلى طاقة أقل من أجهزة الكاشوف ولكنها تبقى ذات فعالية قوية وقادرة على إخفاء الأهداف، الواقعة ضمن مدى البصر، من المشوش إلى الكاشوف (فص التشويش الرئيسي، Mainlobe Jamming). للمشوش تأثير مضاف إلى تأثير الكاشوف على طول مدى البصر خلال استقبال موجة الأخيرة، ويسمى هذا التأثير "فص التشويش الجانبي" (بالإنجليزية: Sidelobe Jamming)‏. يمكن تقليل فص التشويش الرئيسي عن طريق تضييق الزاوية المجسمة له، ولكن لا يمكن إزالتها خاصة عندما تواجه مباشرة المشوِش الذي يستخدم نفس الموجات ونفس الاستقطاب الذي يستخدمه الكاشوف. يمكن التغلب على الفصوص الجانبية للتشويش بواسطة تصميم هوائي يقلل استقبال الفصوص الجانبية، وأيضا عن طريق استخدام هوائي لجميع الاتجاهات (بالإنجليزية: omnidirectional antenna)‏ لكشف وإهمال إشارات الفصوص الجانبية.

من التقنيات الأخرى المضادة للتشويش: الاستقطاب وقفزات التردد، والأخيرة عبارة عن تغيير التردد بتسلسل عشوائي يعرفه المرسل والمستقبل فقط. يشكل التداخل حاليا مشكلة للنطاق C-band الذي تستخدمه الأرصاد الجوية على موجة 5.4 جيغا هرتز مع تقنية الواي فاي.