RADIOLOCATIA

RADAR-ul este o invenţie ce nu poate fi atribuită unui anumit savant sau unei singure naţiuni. Va trebui să privim radarul ca rezultatul a numeroase eforturi de cercetare şi dezvoltare, realizate în paralel de o serie de oameni de ştiinţă din mai multe ţări. Vom aminti în continuare anumite repere istorice ce corespund descoperirii unor principii fundamentale sau a unor invenţii mai importante:

1865 Fizicianul englez James Clerk Maxwell a dezvoltat teoria luminii electro-magnetice (descrierea undelor electromagnetice şi a propagării lor).

Figura 1: principiu radar: măsurarea timpului de deplasare dus-întors al undelor

1886 Savantul german Heinrich Rudolf Hertz demonstrează existenţa undelor electromagnetice şi confirmă astfel teoria lui.

1904 Inginerul german Christian Hülsmeyer, specialist în tehnica frecvenţelor înalte, inventează „Telemobiloskop”-ul, aparat pentru evitarea coliziunilor pe mare. El calculează timpul parcurs de o undă electromagnetică până la un obiect metalic (navă) şi înapoi. Cunoscând timpul, este posibilă determinarea distanţei. Acesta este primul experiment practic al radarului. Hülsmeyer îşi brevetează invenţia în Germania şi Marea Britanie.

1

1921 Inventarea de către Albert Wallace Hull a unui tub oscillator cu un randament ridicat: magnetronul.

1922 Inginerii americani Albert H. Taylor şi Leo C. Young de la Naval Research Laboratory reuşesc pentru prima dată localizarea unei nave construite din lemn.

1930 Lawrence A. Hyland (tot de la Naval Research Laboratory), localizează pentru întâia dată un avion.

1931 Un vapor este echipat cu un radar. Sunt folosite antene cu reflector parabolic, cu radiatoare horn.

1936 Descoperirea clistronului de către George F. Metcalf şi William C. Hahn, amândoi de la General Electric. Acest tub va fi o componentă foarte importantă în sistemele radar ca amplificator sau oscilator.

1939 Zwei Physiker an der Universität von Birmingham in England, John Randall und Henry Boot, entwickelten ein leichtes, aber leistungsfähiges Mikrowellenradar und bauten es in ein B- 17 Bomber ein. Das brachte die Wende im U-Boot-Krieg.

1940 Sunt dezvoltate o serie de echipamente radar în S.U.A., Uniunea Sovietică (Rusia), Germania, Franţa şi Japonia.

Accelerate de luptele tot mai intense şi de dezvoltarea forţelor aeriene, cercetările în domeniul tehnicii radarului au generat avansuri tehnologice semnificative în timpul celui de-al doilea război mondial. În perioada “războiului rece” un număr foarte mare de radare au fost instalate de o parte şi de cealaltă a “cortinei de fier”, în special de-a lungul frontierei germane.

Principii fundamentale

Principiul de bază privind funcţionarea unui radar primar este simplu de înţeles. Totuşi, teoria poate deveni destul de complexă. Cunoaşterea acestei teorii este esenţială pentru înţelegerea funcţionării şi operarea corectă a oricărui sistem radar. Proiectarea şi punerea în funcţiune a unui sistem radar primar necesită cunoştinţe din discipline cuprinse într-o arie largă de domenii cum ar fi construcţii,

2

mecanică, electronică, electrotehnică, tehnica microundelor, prelucrarea semnalelor şi procesarea datelor. De asemenea, anumite legi ale fizicii sunt foarte importante.

Măsurarea distanţei cu ajutorul radarului este posibilă datorită proprietăţilor energiei electromagnetice.

Reflexia undelor electromagnetice

Undele electromagnetice sunt reflectate dacă întâlnesc o suprafaţă conductoare electric. Dacă undele reflectate sunt recepţionate în punctul de unde au plecat, aceasta înseamnă că pe direcţia de propagare se află un obstacol.

Energia electromagnetică se deplasează prin aer cu viteză constantă, aproximativ egală cu viteza luminii,

300,000 kilometri pe secundă, sau

186,000 mile pe secundă, sau

162,000 mile nautice pe secundă.

Energia electromagnetică se deplasează prin spaţiu în linie dreaptă, traiectoria fiind foarte puţin afectată de condiţiile atmosferice şi meteo. Folosind antene de construcţie specială, această energie poate fi focalizată într-o anumită direcţie dorită. În acest fel se poate determina direcţia obiectelor (în azimut şi elevaţie).

Aceste principii implementate practic într-un sistem radar asigură descoperirea obiectelor şi determinarea distanţei, azimutului şi înălţimii acestora.

(Efectele atmosferei şi condiţiilor meteo asupra undelor electromagnetice vor fi discutate mai târziu; pe moment, aceste efecte vor fi ignorate în explicaţiile privind determinarea distanţei şi a direcţiei.)

3

Principiul radarului

Principiul electronic de funcţionare al radarului este foarte asemănător cu principiul reflexiei undelor sonore. Dacă o persoană strigă în direcţia unui obiect care reflectă sunetele (cum ar fi un canion, un tunel sau o peşteră), va auzi un ecou. Cunoscând viteza sunetului în aer, se poate estima distanţa şi direcţia aproximativă a acelui obiect. Timpul necesar revenirii ecoului poate fi utilizat pentru calcularea distanţei, cunoscând viteza sunetului.

Radarul foloseşte undele electromagnetice aproximativ în acelaşi mod, după cum se observă în Figura 1. Un impuls de radiofrecvenţă este emis în spaţiu şi reflectat de către un obiect. O mică parte din energie este reflectată înapoi pe direcţia radarului. Acest semnal reflectat înapoi către radar poartă denumirea de semnal ECOU, ca şi în cazul undelor sonore. Sistemul radar utilizează acest semnal ecou pentru a determina distanţa şi direcţia respectivului obiect.

Cuvâtul RADAR este o abreviere de la

RAdio (Aim) Detecting And Ranging

Ceea ce înseamnă „Detecţie şi Telemetrie Radioelectronică”, adică cele două funcţii de bază ale radarului: descoperire şi localizare cu ajutorul undelor electromagnetice.

Radarele moderne pot extrage din semnalul ecou şi alte informaţii în afară de distanţă, însă determinarea distanţei prin măsurarea timpului de întârziere rămâne una din principalele funcţii ale radarului.

Principiul de funcţionare

Figura de mai jos ilustrează principiul de funcţionare al unui radar primar. Antena radarului iluminează ţinta cu un semnal de frecvenţă foarte înaltă, numit semnal de „sondaj”. Acest semnal este reflectat de ţintă şi recepţionat de către receptor prin intermediul antenei. Semnalul recepţionat se mai numeşte şi semnal „ecou”.

4

Semnalul de sondaj este generat de un emiţător de putere mare şi recepţionat de un receptor cu sensibilitate ridicată. Comutatorul de antenă (numit şi duplexor) permite folosirea aceleiaşi antene atât de către emiţător, cât şi de receptor.

Toate ţintele produc o reflexie difuză, adică semnalul este reflectat în toate direcţiile (fenomen numit şi dispersie). Reflexia undelor în direcţie opusă celor incidente se numeşte „backscatter” (reflexie către radar).

Semnalele recepţionate vor fi afişate pe indicator. Acesta este de obicei un indicator de observare circulară (IOC), numit şi indicator panoramic (PPI). Un IOC afişează un vector cu originea în centrul ecranului, corespunzătoare poziţiei radarului, care se roteşte simultan cu antena, indicând direcţia acesteia şi implicit azimutul ţintelor. Vectorul poartă denumirea de „desfăşurare”.

Radiolocația este o modalitate de determinare a existenţei şi poziției relative a unei stații sau a unui obiect pe baza caracteristicilor undelor electromagnetice: viteză de propagare constantă și propagarea în linie dreaptă. Poziția unui obiect țintă este caracterizată de mai multe elemente.

Distanța r până la un obiect se determină din formula , unde t este intervalul de timp după care este recepționată unda reflectată sau retransmisă de obiect și c, viteza de propagare a undelor radioelectrice. (c ≈ 300 000 km/s)

Radiolocația și-a găsit aplicații în meteorologie, în radionavigația aeriană și maritimă: identificarea formelor de relief, insulelor, ghețarilor, obstacolelor etc.

Instalația de radiolocație se compune, în esență, dintr-un emițător, un receptor și un sistem de antene. Pentru a se putea stabili coordonatele unghiulare ale poziției obiectului, undele radio trebuie emise sub forma unor fascicule mai înguste. Pentru aceasta, antenna radiolocatorului se așază în focarul unei oglinzi metalice concave, care reflectă undele într-o singură direcție. Emițătorul emite trenuri de unde separate prin pauze, funcționând prin impulsuri. În timpul pauzelor de emisie, prin intermediu receptorului antena recepționează undele reflectate. Recepționarea semnalului se măsoară cu oscilograful catodic.

5

Utilizări: Este folosită in navigare. Avioanele şi vapoarele sunt dotate cu radiolocatoare, ca şi aeroporturile care sunt prevăzute cu acest echipament pentru a dirija traficul aerian, aterizările şi decolările avioanelor deasemenea.

Pionerii în comunicaţiile prin unde radio au observat că semnalele recepţionate aveau uneori calitatea de ecou. Ecourile erau cauzate de reflectarea unei părţi a semnalelor pe o cale mai lungă şi în consecinţă ajungerea lor mai tîrziu la receptor. Reflexiile nedorite sunt un impediment în comunicaţiile obişnuite prin unde radio, însă radarul utilizează reflexii ale undelor radio pentru a detecta avioane şi a determina direcţia şi distanţa acestora.

Cuvîntul „radar” este un acronim pentru cuvîntul englez – „Radio detection and ranging”, ce reprezintă o instalaţie de radiolocaţie care radiază microunde electromagnetice şi foloseşte reflexia acestora pe diferite obiecte pentru a determina existenţa şi distanţa lor faţă de antenă.

Principiile de bază ale radarului au fost enunţate de Nikola Tesla la sfîrşitul sec. XIX-lea.

În 1922, în urma cercetărilor vestitului inginer italian Guglielmo Marconi, cercetătorii navali americani A.H. Taylor şi L.C. Young experimentau comunicaţia radio cînd au observat că o barcă de pe rîu le reflecta transmisiile. În 1930 Zpunh şi un coleg al său, L.A. Hayland, au detectat reflexiile radio provenite de la un avion. Cu puţin timp după aceste constatări au început o metodă de a detecta avioane aflate la o distanţă de pînă la 80 km.

Deşi Young şi Hayland puteau găsi direcţia avionului, tehnica folosită nu indica raza de acţiune. Însă alţii utilizaseră deja semnale radio pentru a măsura distanţele utilizînd principiile radiolocaţiei - .

În numai cîţiva ani această muncă experimentală, alături de dezvoltările în domeniul electronicii, au dus la producţia sistemelor practice radar.

În Marea Britanie, fizicianul Robert Watson-Watt experimentase tehnici radar la începutul anilor 1930.

6

La izbucnirea celui de-al doilea război mondial, un lanţ de staţii radar erau deja instalate de-a lungul coastelor Marii Britanii. Aceste staţii avertizau din timp apropierea avioanelor inamice ţi au ajutat cu ult la cîştigarea în aer a războiului. Localizarea precisă, din timp, a avioanelor inamice dădea unităţilor de apărare o şansă mult mai bună de a le distruge. Deşi avioanele nu se puteau caufla, adesea reuşeau să inducă în eroare staţiile radar prin eliberarea de mase de folie de aluminiu. Asemenea avionului, norii de folie reflectau senalele radar, operatorilor radar fiindu-le greu să localizeze sigur avioanele. Alte aplicaţii de război includeau utilizarea echipamentului radar la bordul avioanelor şi navelor pentru urmarirea operaţiunilor aeriene şi marine ale inamicului.

După sfîrşitul războiului, în 1945, utilizarea radarului a fost extinsă constant la o gamă mult mai largă de aplicaţii civile precum şi milităreşti. Radarul este baza coordonării traficului aerian la aeroporturile principale şi este considerat de a fi esenţial pentru siguranţa sa.

Într-un sistem radar tipic modern, o antenă curbată emite impulsuri de semnale radio într-un fascicul îngust. Antena se roteşte continuu, astfel încît impulsurile sale “mătură” spaţiul din jur, asemenea luminii provenite de la un far. După emiterea fiecărui impuls, echipamentul este comutat automat să recepţioneze orice semnal reflectat. Acesta este prezentat ca o pată luminoasă îe un ecran circular cu tub cu raze catodice numit indicator al poziţiei în plan (PPI). Centrul ecranului reprezintă poziţia echipamentului, iar imaginile formate prin reflexiile radar se construiesc în jurul său pentru a forma o hartă a zonei. Astfel operatorul radar poate imediat să vadă direcţia oricărui obiect care provoacă o reflexie şi distanţa la care acesta se află.

7