Podstawy techniki radarowej
Data dodania: 29 lipca, 2002
Energia jest przenoszona w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych (promieniowania). Istotne cechy, charakteryzujące fale, to długość i prędkość. Zwykłe światło słoneczne nie jest niczym innym, jak właśnie wspomnianą formą przenoszenia energii.
Długość fali światła słonecznego wynosi od 400 do 650 nanometrów (jeden nanometr to miliardowa część metra); przemieszcza się ono w próżni z prędkością niemal 300000 km na sekundę. Poszczególne długości fali światła słonecznego odpowiadają różnym kolorom, postrzeganym przez ludzkie oko. Większa długość fali daje barwę czerwoną, mniejsza zaś odpowiada niebieskiej. Między nimi leżą wszystkie pozostałe barwy. Oko tylko dlatego ma możliwość odbierania wrażeń zmysłowych z otoczenia, że Słońce, dostarczając energię, wypełnia promieniowaniem przestrzeń wokół siebie - także i Ziemię. Cząstki światła słonecznego odbijane są przez wszystkie obiekty na powierzchni Ziemi i mogą być przez oko odbierane i interpretowane. Słońce pracuje więc jako aktywne źródło oświetlenia, które każdemu odbiorcy umożliwia widzenie otoczenia.
Podobnie jak latarka, stanowiąca aktywne źródło światła, oświetla przedmioty w ciemności, również radar emituje energię w postaci fal elektromagnetycznych. Urządzenia te różnią się jednakże długością fali, wykorzystywanej do przesyłania promieniowania.
Jak objaśniono na wstępie, zakres światła widzialnego wynosi kilkaset nanometrów. Przy mniejszych długościach fal mówi się o świetle ultrafioletowym, a przy większych o podczerwonym, do którego zalicza się również promieniowanie cieplne. Jeśli zaczniemy rozważać jeszcze większe długości fal, trafimy w końcu przez tzw. daleką podczerwień na fale wykorzystywane w urządzeniach radarowych. Ich długość wynosi od około 1 cm do 140 cm. Podobnie jak w przypadku kolorów światła widzialnego, fale radarowe również dzieli się na zakresy i pasma, które obejmują poszczególne częstotliwości. Rozpoczynając od fal najdłuższych, pasma K, wyodrębnia się pasma K, X, C, S, L, UHF oraz P. Podział ten został przedstawiony w tabeli.
Wróćmy teraz do porównania z latarką, aby unaocznić sposób funkcjonowania urządzenia radiolokacyjnego. Promień latarki pada na jakiś przedmiot, który odbija go na wszystkie strony. Część tego promieniowania wpada do oka obserwatora, który dzięki temu może je zauważyć. Dopiero kombinacja nadajnika (latarka) i odbiornika (oko) sprawia, że system jest kompletny. Dokładnie w ten sam sposób pracuje urządzenie radiolokacyjne. Nadajnik emituje energię w postaci promieni radarowych, a odbiornik zbiera odbite echa. Podobnie jak latarka, która daje silnie skupioną smugę światła, nadajnik radarowy potrafi zbadać tylko niewielki, punktowy obszar w swoim otoczeniu, pomiar jest więc zaledwie jednowymiarowy. Dlatego, aby otrzymać pełny obraz otoczenia, promień radarowy musi nieprzerwanie badać wszystkie kierunki. Antena radarowa nieustannie więc się kręci, emitując w krótkich odstępach impulsy energii i odbierając powstałe echa.
Pasmo |
Zakres częstotliwości (GHz) |
Długość fal (cm) |
P |
0,225-0,39 |
133,0-76,9 |
L |
0,39-1,55 |
76,9-19,4 |
S |
1,55-3,0 |
19,4-7,69 |
C |
3,9-5,75 |
7,69-5,21 |
X |
5,75-10,9 |
5,21-2,75 |
K |
10,9-36,0 |
2,75-0,83 |
Q |
36,0-46,0 |
0,83-0,63 |
Tabela: Podział najważniejszych, wykorzystywanych radarowych długości fal na tzw. pasma. W tabeli podano częstotliwości, odpowiadające im długości fal i używane określenia
Promienie, odbite od napotkanych obiektów, są przetwarzane i dają obraz na ekranie operatora. Echa zawierają wiele informacji, które wykorzystuje się, aby uzyskać bardziej szczegółowe dane o cechach obserwowanego przedmiotu. Kiedy zmierzy się czas dt, który upłynął od wysłania impulsu radarowego do odebrania echa, można określić odległość d od obiektu. Jest to połowa iloczynu dt i prędkości światła c. Odległość = dt x c/2. Nowoczesne urządzenia radarowe potrafią też zmierzyć prędkość obiektu. Jeżeli położenie obiektu w przestrzeni (odległość, kierunek) określi się dwukrotnie w pewnym odstępie czasu, można na tej podstawie łatwo ustalić jego prędkość. Nieco bardziej skomplikowana i zaawansowana technicznie metoda wykorzystuje zjawisko Dopplera. Stosuje się tutaj zasadę, że przyjęta za stałą częstotliwość nadajnika zaczyna się pozornie zmieniać, jeśli ten porusza się względem spoczywającego odbiornika.
To zjawisko jest znane każdemu, kto choć raz słyszał gwizd szybko mijającej go lokomotywy. Przejeżdżający pociąg gwiżdże coraz wyżej, gdy zbliża się w stronę obserwatora, i niżej, kiedy się od niego oddala. Tę zasadę stosuje się przy dopplerowskich pomiarach prędkości. Fala, odbita od obiektu oddalającego się od radaru, ma nieco niższą częstotliwość, a fala odbita od obiektu zbliżającego się do radaru - wyższą. Na podstawie zmierzonej różnicy między falami wysłanymi i odebranymi można określić prędkość obiektu względem obserwatora.
Poza tymi dwoma, stosunkowo łatwymi do ustalenia za pomocą radaru, parametrami (odległość i prędkość), rozwinięto z biegiem czasu dalsze metody, pozwalające na dokładniejszą klasyfikację obiektów (np. pod względem polaryzacji i natężenia emisji odbijanych fal radarowych przy różnych częstotliwościach). Różnorodne możliwości, jakimi dysponuje współczesna radiolokacja, przyczyniły się do tego, że znajduje ona zastosowanie w wielu dziedzinach. Pierwsze zastosowania były wyłącznie wojskowe -skonstruowano przenośne urządzenia do nadzorowania przestrzeni powietrznej. Później technologia ta stała się dostępna także dla cywilów - stanowi ona niezbędne narzędzie współczesnej kontroli lotów i żeglugi. Ale radary wykorzystuje się też w meteorologii, aby śledzić rozmiary i ruchy potencjalnie niebezpiecznych zjawisk pogodowych, np. ośrodków burzowych. Obecnie prawie każdy duży samolot ma wbudowany radar meteorologiczny, aby móc w porę rozpoznać i ominąć ewentualne zagrożenia.
Dzisiaj radar stosowany jest w coraz większym stopniu do zbierania danych przez satelity. Jego dużą zaletą, w porównaniu z metodą optyczną, jest mianowicie możliwość przenikania bez większych przeszkód przez chmury, mgłę i deszcz. Obserwacja Ziemi za pośrednictwem satelitarnych urządzeń radiolokacyjnych (np. satelita ERS-1 agencji kosmicznej ESA) umożliwia nieprzerwane zbieranie informacji, niezależnie od pogody i codziennych wahań promieniowania słonecznego. Współcześnie interpretacja sygnałów radarowych nie jest możliwa do przeprowadzenia bez pomocy komputera. Operator radaru nie otrzymuje na ekranie surowych danych, lecz wstępnie przetworzony, raczej symboliczny obraz. Komputer przepuszcza jedynie echa sygnałów, wysłanych przez nadajnik radaru. Takie zjawiska, jak szumy, krótkotrwałe spięcia i echa obiektów stacjonarnych eliminuje