Радар

Радарска антена великог домета

Радар (скраћеница од енг. Radio Detection and Ranging) је уређај за откривање присуства, препознавање, одређивање положаја и брзине кретања објеката у простору. Развијен је за потребе војске, за откривање присуства летелица, бродова, тенкова и других борбених средстава. Касније је доживео велику примену и за цивилне потребе. Користи се у контроли ваздушног, воденог и друмског саобраћаја, за потребе топографије и геологије, а посебно у откривању и праћењу кретања облака у атмосфери (метеоролошки радар). Састоји се из више сложених подсистема, заснованих на савременој технологији електронике. Принцип рада се заснива на емитовању генерисаних, и детекцији повратних (рефлектованих) електромагнетних таласа, у облику уског снопа, супер високе учесталости, усмереном у простору у коме се налази објекат, који је циљ откривања и надгледања. Електромагнетни таласи се у вакууму праволинијски простиру из извора, одбијају се од површине објекта који им је на путу и праволинијски се враћају у простор, у правцима рефлексије. Пријемник радара прихвата повратни део, истог правца, који је рефлектован од „осветљеног“ објекта. Интензитет „ухваћеног“ дела враћених електромагнетних таласа, обично је врло слаб, те се појачава помоћу одговарајућих уређаја. Ти појачани повратни сигнали се рачунарски обрађују и анализирају, а добијени резултати дају одговор о присуству откривеног објекта, његовим основним карактеристикама, положају удаљености и брзини кретања, што се приказује на приказивачу (екрану). На основу анализираних одбијених сигнала и добијених параметара о објекту, исти се идентификује и прати.

Уски сноп електромагнетних таласа, усмерава се директно антеном. Правац из којег долази рефлексија одређује положај објекта у простору. Удаљеност објекта одређује се мерењем периода између преноса радарског импулса и пријема рефлексије. У већини радарских примена, овај временски период је веома кратак, јер електромагнетни таласи путују брзином светлости.

Радарски електромагнетни таласи се могу лако генерисати на ниво жељене снаге, рефлектовати, примити, појачати и детектовати. Због тих својих карактеристика, радар је погодан за детекцију објеката на веома великим удаљеностима, где би рефлексија од светлости  или од звука била веома слаба. Општи ниво развоја електронике, аутоматике, дигиталне и рачунарске технологије је основа за веома динамичан развој радарских система.

Историја радара

Торњеви, висине око 300 m,
дуж обале Британије за
рано упозорење.

Развоју радара су допринели научници, инжењери и остали проналазачи, првенствено за потребе војске. Хајнрих Херц је још 1886. године доказао да се радио-таласи одбијају од чврстих објеката, што је основа за принцип рада радара.

Александар Попов, инструктор физике у морнаричкој школи Руске Империје, развио је уређај за откривање удара удаљених громова, користећи Кронштадеву цев, 1895. године. Следеће године, додао је на тај уређај одашиљач, на принципу електричног варничења. Током 1897. године, испитао га је у комуникацији између два брода, у Балтичком мору. На основу добијених резултата, Попов је закључио да се овај принцип може користити за откривање објеката у простору.

Немац Кристијан Хелсмејер је први користио радио-таласе за откривање присуства удаљених металним предмета. Он је показао, 1904. године, изводљивост откривања присуства брода у густој магли, али није измерио и његову удаљеност. Заштитио је откриће и уређај, патентом № 165546, у априлу 1904. године, а касније и за одређивање удаљености брода, патентом DE169154. Такође му је признат и британски патент GB13170, 23. септембра 1904. године, за први комплетан радар, који је назвао телемобилоскоп (енг telemobiloscope).

Никола Тесла је, у августу 1917. године, први успоставио принципе радне учесталости, снаге и концепт једноставног радара. Он је доказао, принцип генерисања електромагнетних таласа, које може произвести по вољи, послати их из извора и изазвати електромагнетни ефекат у простору. Сматрао је, да се тако може одредити позиција, правац и брзина кретања објекта, пример је брод на мору. Он је навео: „електромагнетни таласи се могу искористити, ако се контролисано емитују из станице. Тада се може искористити њихов ефекат, у сваком појединачном делу света. Може се утврдити релативна позиција и параметри кретања објекта, као што је брод на мору.“

Истраживачи, у америчкој морнарици Хојт Тејлор и Лео Јанг, открили су 1922. године, да је са радио-таласима од 60 MHz могуће одредити присуство бродова у простору. Упркос сугестији да се овај метод може користити ноћу и при смањеној видљивости, морнарица није одмах наставила истраживања. Морнарица је почела са озбиљним истраживањима примене овог принципа, после осам година. Након доказа да се радар може користити за праћење авиона.

Пре Другог светског рата, истраживачи у Француској, Немачкој, Италији, Јапану, Холандији, Совјетском Савезу, Уједињеном Краљевству, и Сједињеним Америчким Државама, самостално и у великој тајности, развијали су технологије, које су основа за конструкцију модерних верзија радара. Аустралија, Канада, Нови Зеланд, Јужна Африка и други, радили су на сличним истраживањима.

Амерички радар SCR-268

Француз Емил Жирардо је 1934. године, објавио направљен апарат за лоцирање објеката, наводећи да је „проналазак у складу са принципима које је објавио Никола Тесла“, што је заштитио патентом № 788795 1934. године. Тај уређај је постављен на брод Нормандија, 1935. године.

Током исте године, совјетски војни инжењер П. К. Ошепков, у сарадњи са Лењинградским електротехничким институтом, произвео је експериментални апарат, који је могао детектовати авион удаљен 3 km од пријемника.. Француски и совјетски системи, заснивали су се на континуалним радним таласима и нису постизали перформансе, као савремени импулсни радари.

Технологија радара је еволуирала у пулсирајући систем, а први такав уређај је демонстриран у децембру 1934. године, од америчког проналазача Роберта Пејџа. Радар је имао намену да у приморском појасу служи за ноћну претрагу. Центар за истраживање електромагнетних сигнала се заинтересовао за примену радара, резултат чега је и развој радарског система SCR-270. Демонстрацији тога система поред морнарице присуствовао је и Командант ваздухопловства, у новембру 1938 . године. Овај прототип је репројектован у серијски стандард, а прве испоруке SCR-268 су почеле у фебруару 1941. године. То је био поуздани мобилни систем. На основу тога знања и технологије, развијен је и оперативно је коришћен у ваздухопловству радарски висиономер. У домену сигнала, истраживан је и радарски висиномер, што је фактички био једноставнији радар, који је усмерен из авиона на доле, са задатком да „види“ колико је удаљено тло. RCA је добио уговор за развој тога радарског висиномера 1937. године, а у пролеће 1940. да произведе оперативни комплет, са ознаком SCR-518. Тада је почела његова производња. Почетна верзија је била масе 40 kg, али је иста постепено смањена на 12 kg. SCR-518 је могао задовољавајуће мерити висину и до нивоа од 12 km, изнад тла.

Затим је у мају 1935. године, у Немачкој, Рудолф Кухнхолд приказао пулсирајући систем. У јуну 1935. године, у Великој Британији, стручни тим на челу са Робертом Вотсоном Ватом (енг Robert A. Watson Watt), успешно је демонстрирао сличан систем.

      Немачки радар Würzburg C (1942.) 

Британци су у потпуности први, оперативно користили радаре, у систему одбране од напада авиона. Ово је било подстакнуто страховањем да Немци развијају систем „смртоносног зрачења“. Министарство ваздухопловства тражило је од британских научника, у 1934. години, да истраже могућност употребе ефеката електромагнетне енергије. Након студија, они су закључили да систем „смртоносних зрака“ није изводљив, али да откривање авиона са електромагнетним таласима јесте. Лабораторија Роберта Вотсона-Вата је те претпостављене могућности доказала реализацијом радног прототипа тога уређаја, што је и патентирано под № GB593017. Ово решење је послужило као основа за мрежу првих оперативних радара за одбрану Британије. У априлу 1940. године, објављен је рад Роберта Вотсона-Вата и могућности искоришћења његовог патента за противваздушну одбрану, али не знајући да су америчка војска и морнарица развили радар са истим принципом рада. Такође, крајем 1941. године, амерички научници, у своме чланку наводе да британски систем за рано упозорење, на енглеској источној обали, вероватно јесте близу правог решења и принципа рада.


Касније је закључено да су Немци тада већ имали сопствене радаре, у многим погледима супериорније од британских, али су они радили са много краћим таласним дужинама емитованих зрака. Верује се да тада нису ни мислили да развијају радаре већих таласних дужина, за извиђање британске обале, пошто им уочени торњеви нису личили на радарске станице и мислили су да им не прети опасност од раног откривања. На основу те заблуде, донели су погрешан закључак.

Рат је убрзао истраживања у великој потреби да се пронађу боља решења за супериорније карактеристике и веће могућности за радаре и за њихову интеграцију у навигационе системе, британских бомбардера.

У послератним годинама расла је употреба радара у различитим областима, као што је контрола ваздушног саобраћаја, праћење метеоролошких услова, испитивања у геологији и астрометрији, топографији и контроли свих врста саобраћаја, чак и брзине друмских возила.

Примена

Радар на трговачком броду.
Ротирајућа антена са вертикално
лепезастим зрацима.

Радарски системи су примењени у различитим величинама, наменама, перформансама и са различитим спецификацијама. Неки радарски системи се користе за авионски саобраћај, контролу на аеродромима, а други великог домета се користе у система за надзор и рано упозоравање. Радарски систем је срце навигационог система летелица, пројектила и пловила. У примени су и мали преносни радарски системи, који се могу одржавати и управљати од стране једне особе, као и велики који заузимају неколико великих просторија.

Старији тип антене радара има механичку слободу кретања, најчешће око две осе, за одређену величину угла закретања, то јест механички скенира у одређеном опсегу елевације и азимута. То решење се тешко реализује у условима малог расположивог простора, као у носном делу трупа ловачког авиона. Савремена технолошка решења са електронским скенирањем извршава ову функцију без механичког кретања антене. У условима већег простора за земаљске радаре, антена механички ротира око вертикалне осе и покрива цело окружење, у оквиру пуног круга од 360°. Међутим, тај ефекат остварују радари са антеном фазног низа, са плочама у равнима, страница тростране пирамиде, без механичког кретања. Приоритетна и прва употреба радара, била је за војне потребе: за лоцирање циљева у ваздуху, на Земљи и на мору. Ово се пренело, као и већина војних технологија и у цивилне области. Направљена су решења за цивилне авионе и бродове, за контролу саобраћаја на путевима и за друге потребе.

У ваздухопловству, поједини типови авиона су опремљени радарским уређајима који упозоравају на препреке којима се приближавају на своме путу лета, тако што унапред дају тачне податке о висинском растојању до њих. Прва комерцијална примена радарских уређаја, послужила је на авиону 1938. године, на неким ваздушним линијама. Уређај је детектовао препреке на путу у магли и на аеродромима олакшао контролу приступа за слетање. Оператери су помоћу радија помагали пилотима да се оријентишу при слетању.

Руски радар Жук-А на ваздухопловној изложби МАКС 2009. године и решеткаста антена,

са активним (електронским) скенирањем, за радар авиона Пак ФА.

Радари у морнарици се користе за одређивање правца кретања и растојања између бродова, како би се спречили међусобни судари, за глобалну навигацију на мору, одређивање позиције, удаљеност од обале или других фиксних препрека, као што су острва и гребени.

Саобраћајна полиција користи радар за контролу саобраћаја, мерење брзине возила на путевима, броја возила и поштовање саобраћајних прописа.

У метеорологији, радари се користе за праћење облачности и падавина. Радари су постали основно средство за краткорочне прогнозе временских прилика и упозоравање на лоше временске појаве, као што су торнадо и олуја.

Метеоролошки радар и његов снимак

У геологији и археологији се користе специјализовани георадари за „мапирање“ геолошког састава земљине коре односно истраживање археолошких налазишта. Радарски сателити користе се за прављење дигиталних елевационих модела.

Када је 12. фебруара 1942. 20 немачких бродова испловило из Бреста а британски радари нису опазили овај покрет због сметњи које су имали, Армијска оперативна истраживачка група (енг Research Group) је добила задатак да истражи овај проблем. Задатак је поверен Џејмсу Хају, британском физичару. Хај је установио да је сметња била последица појачане активности Сунца. Осим тога, закључио је да су радарски сигнали који су погрешно тумачени као трагови ракета V-2 заправо трагови метеора. Ове своје закључке је Хај смео да објави тек по завршетку Другог светског рата. Након Другог светског рата, већ 1945. године, један расходовани војни радар је додељен Универзитету у Манчестеру, где је Џордел Бенк основао експерименталну станицу (данас Џордел Бенк опсерваторија).

Џордел Бенк експериментална станица и радио телескопи данас.

Предност употребе радара у метеорској астрономији се огледа у томе што је довољан један радар за одређивање положаја и брзине метеора (а најмање две видео или фотографске камере), чињеници да је радаром могуће детектовати и слабије метеоре од оних видљивих голим оком, као и што може детектовати метеоре без обзира на временске прилике (облачност, маглу, кишу), па чак и по дану. Ово последње је довело до открића бројних дневних радио-ројева.

Грана астрономије која се служи радаром зове се радарска астрономија. Радаром је могуће веома прецизно измерити даљину небеских тела, снимити облик астероида, мапирати површине и истраживати геологију планета и сателита.

Радарски снимак астероида 4179 Тутатис,  мапе површине Венере и Титана.

Принцип рада

Принцип осветљењ