43.2. Podstawy techniki radarowej29 lipca 2002
Energia jest przenoszona w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych (promieniowania). Istotne cechy, charakteryzujšce fale, to długoć i prędkoć. Zwykłe wiatło słoneczne nie jest niczym innym, jak włanie wspomnianš formš przenoszenia energii.
Długoć fali wiatła słonecznego wynosi od 400 do 650 nanometrów (jeden nanometr to miliardowa częć metra); przemieszcza się ono w próżni z prędkociš niemal 300000 km na sekundę. Poszczególne długoci fali wiatła słonecznego odpowiadajš różnym kolorom, postrzeganym przez ludzkie oko. Większa długoć fali daje barwę czerwonš, mniejsza za odpowiada niebieskiej. Między nimi leżš wszystkie pozostałe barwy. Oko tylko dlatego ma możliwoć odbierania wrażeń zmysłowych z otoczenia, że Słońce, dostarczajšc energię, wypełnia promieniowaniem przestrzeń wokół siebie - także i Ziemię. Czšstki wiatła słonecznego odbijane sš przez wszystkie obiekty na powierzchni Ziemi i mogš być przez oko odbierane i interpretowane. Słońce pracuje więc jako aktywne ródło owietlenia, które każdemu odbiorcy umożliwia widzenie otoczenia.
Podobnie jak latarka, stanowišca aktywne ródło wiatła, owietla przedmioty w ciemnoci, również radar emituje energię w postaci fal elektromagnetycznych. Urzšdzenia te różniš się jednakże długociš fali, wykorzystywanej do przesyłania promieniowania.
Jak objaniono na wstępie, zakres wiatła widzialnego wynosi kilkaset nanometrów. Przy mniejszych długociach fal mówi się o wietle ultrafioletowym, a przy większych o podczerwonym, do którego zalicza się również promieniowanie cieplne. Jeli zaczniemy rozważać jeszcze większe długoci fal, trafimy w końcu przez tzw. dalekš podczerwień na fale wykorzystywane w urzšdzeniach radarowych. Ich długoć wynosi od około 1 cm do 140 cm. Podobnie jak w przypadku kolorów wiatła widzialnego, fale radarowe również dzieli się na zakresy i pasma, które obejmujš poszczególne częstotliwoci. Rozpoczynajšc 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 latarkš, aby unaocznić sposób funkcjonowania urzšdzenia radiolokacyjnego. Promień latarki pada na jaki przedmiot, który odbija go na wszystkie strony. Częć 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 urzšdzenie radiolokacyjne. Nadajnik emituje energię w postaci promieni radarowych, a odbiornik zbiera odbite echa. Podobnie jak latarka, która daje silnie skupionš smugę wiatła, 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, emitujšc w krótkich odstępach impulsy energii i odbierajšc powstałe echa.
Tabela: Podział najważniejszych, wykorzystywanych radarowych długoci fal na tzw. pasma. W tabeli podano częstotliwoci, odpowiadajšce im długoci fal i używane okrelenia
Promienie, odbite od napotkanych obiektów, sš przetwarzane i dajš obraz na ekranie operatora. Echa zawierajš wiele informacji, które wykorzystuje się, aby uzyskać bardziej szczegółowe dane o cechach obserwowanego przedmiotu. Kiedy zmierzy się czas dt, który upłynšł od wysłania impulsu radarowego do odebrania echa, można okrelić odległoć d od obiektu. Jest to połowa iloczynu dt i prędkoci wiatła c. Odległoć = dt x c/2. Nowoczesne urzšdzenia radarowe potrafiš też zmierzyć prędkoć obiektu. Jeżeli położenie obiektu w przestrzeni (odległoć, kierunek) okreli się dwukrotnie w pewnym odstępie czasu, można na tej podstawie łatwo ustalić jego prędkoć. Nieco bardziej skomplikowana i zaawansowana technicznie metoda wykorzystuje zjawisko Dopplera. Stosuje się tutaj zasadę, że przyjęta za stałš częstotliwoć nadajnika zaczyna się pozornie zmieniać, jeli ten porusza się względem spoczywajšcego odbiornika.
To zjawisko jest znane każdemu, kto choć raz słyszał gwizd szybko mijajšcej go lokomotywy. Przejeżdżajšcy pocišg gwiżdże coraz wyżej, gdy zbliża się w stronę obserwatora, i niżej, kiedy się od niego oddala. Tę zasadę stosuje się przy dopplerowskich pomiarach prędkoci. Fala, odbita od obiektu oddalajšcego się od radaru, ma nieco niższš częstotliwoć, a fala odbita od obiektu zbliżajšcego się do radaru - wyższš. Na podstawie zmierzonej różnicy między falami wysłanymi i odebranymi można okrelić prędkoć obiektu względem obserwatora.
Poza tymi dwoma, stosunkowo łatwymi do ustalenia za pomocš radaru, parametrami (odległoć i prędkoć), rozwinięto z biegiem czasu dalsze metody, pozwalajšce na dokładniejszš klasyfikację obiektów (np. pod względem polaryzacji i natężenia emisji odbijanych fal radarowych przy różnych częstotliwociach). Różnorodne możliwoci, jakimi dysponuje współczesna radiolokacja, przyczyniły się do tego, że znajduje ona zastosowanie w wielu dziedzinach. Pierwsze zastosowania były wyłšcznie wojskowe -skonstruowano przenone urzšdzenia do nadzorowania przestrzeni powietrznej. Póniej 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 ledzić rozmiary i ruchy potencjalnie niebezpiecznych zjawisk pogodowych, np. orodków burzowych. Obecnie prawie każdy duży samolot ma wbudowany radar meteorologiczny, aby móc w porę rozpoznać i ominšć ewentualne zagrożenia.
Dzisiaj radar stosowany jest w coraz większym stopniu do zbierania danych przez satelity. Jego dużš zaletš, w porównaniu z metodš optycznš, jest mianowicie możliwoć przenikania bez większych przeszkód przez chmury, mgłę i deszcz. Obserwacja Ziemi za porednictwem satelitarnych urzšdzeń radiolokacyjnych (np. satelita ERS-1 agencji kosmicznej ESA) umożliwia nieprzerwane zbieranie informacji, niezależnie od pogody i codziennych wahań promieniowania słonecznego. Współczenie 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.
autor: Helmut Lammmer, Oliver Sidla
tłumaczenie: Paweł Pollak
Podobnie jak latarka, stanowišca aktywne ródło wiatła, owietla przedmioty w ciemnoci, również radar emituje energię w postaci fal elektromagnetycznych. Urzšdzenia te różniš się jednakże długociš fali, wykorzystywanej do przesyłania promieniowania.
Jak objaniono na wstępie, zakres wiatła widzialnego wynosi kilkaset nanometrów. Przy mniejszych długociach fal mówi się o wietle ultrafioletowym, a przy większych o podczerwonym, do którego zalicza się również promieniowanie cieplne. Jeli zaczniemy rozważać jeszcze większe długoci fal, trafimy w końcu przez tzw. dalekš podczerwień na fale wykorzystywane w urzšdzeniach radarowych. Ich długoć wynosi od około 1 cm do 140 cm. Podobnie jak w przypadku kolorów wiatła widzialnego, fale radarowe również dzieli się na zakresy i pasma, które obejmujš poszczególne częstotliwoci. Rozpoczynajšc 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 latarkš, aby unaocznić sposób funkcjonowania urzšdzenia radiolokacyjnego. Promień latarki pada na jaki przedmiot, który odbija go na wszystkie strony. Częć 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 urzšdzenie radiolokacyjne. Nadajnik emituje energię w postaci promieni radarowych, a odbiornik zbiera odbite echa. Podobnie jak latarka, która daje silnie skupionš smugę wiatła, 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, emitujšc w krótkich odstępach impulsy energii i odbierajšc powstałe echa.
| Pasmo | Zakres częstotliwoci (GHz) | Długoć 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 |
Promienie, odbite od napotkanych obiektów, sš przetwarzane i dajš obraz na ekranie operatora. Echa zawierajš wiele informacji, które wykorzystuje się, aby uzyskać bardziej szczegółowe dane o cechach obserwowanego przedmiotu. Kiedy zmierzy się czas dt, który upłynšł od wysłania impulsu radarowego do odebrania echa, można okrelić odległoć d od obiektu. Jest to połowa iloczynu dt i prędkoci wiatła c. Odległoć = dt x c/2. Nowoczesne urzšdzenia radarowe potrafiš też zmierzyć prędkoć obiektu. Jeżeli położenie obiektu w przestrzeni (odległoć, kierunek) okreli się dwukrotnie w pewnym odstępie czasu, można na tej podstawie łatwo ustalić jego prędkoć. Nieco bardziej skomplikowana i zaawansowana technicznie metoda wykorzystuje zjawisko Dopplera. Stosuje się tutaj zasadę, że przyjęta za stałš częstotliwoć nadajnika zaczyna się pozornie zmieniać, jeli ten porusza się względem spoczywajšcego odbiornika.
To zjawisko jest znane każdemu, kto choć raz słyszał gwizd szybko mijajšcej go lokomotywy. Przejeżdżajšcy pocišg gwiżdże coraz wyżej, gdy zbliża się w stronę obserwatora, i niżej, kiedy się od niego oddala. Tę zasadę stosuje się przy dopplerowskich pomiarach prędkoci. Fala, odbita od obiektu oddalajšcego się od radaru, ma nieco niższš częstotliwoć, a fala odbita od obiektu zbliżajšcego się do radaru - wyższš. Na podstawie zmierzonej różnicy między falami wysłanymi i odebranymi można okrelić prędkoć obiektu względem obserwatora.
Poza tymi dwoma, stosunkowo łatwymi do ustalenia za pomocš radaru, parametrami (odległoć i prędkoć), rozwinięto z biegiem czasu dalsze metody, pozwalajšce na dokładniejszš klasyfikację obiektów (np. pod względem polaryzacji i natężenia emisji odbijanych fal radarowych przy różnych częstotliwociach). Różnorodne możliwoci, jakimi dysponuje współczesna radiolokacja, przyczyniły się do tego, że znajduje ona zastosowanie w wielu dziedzinach. Pierwsze zastosowania były wyłšcznie wojskowe -skonstruowano przenone urzšdzenia do nadzorowania przestrzeni powietrznej. Póniej 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 ledzić rozmiary i ruchy potencjalnie niebezpiecznych zjawisk pogodowych, np. orodków burzowych. Obecnie prawie każdy duży samolot ma wbudowany radar meteorologiczny, aby móc w porę rozpoznać i ominšć ewentualne zagrożenia.
Dzisiaj radar stosowany jest w coraz większym stopniu do zbierania danych przez satelity. Jego dużš zaletš, w porównaniu z metodš optycznš, jest mianowicie możliwoć przenikania bez większych przeszkód przez chmury, mgłę i deszcz. Obserwacja Ziemi za porednictwem satelitarnych urzšdzeń radiolokacyjnych (np. satelita ERS-1 agencji kosmicznej ESA) umożliwia nieprzerwane zbieranie informacji, niezależnie od pogody i codziennych wahań promieniowania słonecznego. Współczenie 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.
autor: Helmut Lammmer, Oliver Sidla
tłumaczenie: Paweł Pollak