Փոքրածավալ ռադիոլոկացիոն համակարգեր

Փոքրածավալ ռադիոլոկացիոն համակարգեր

Ռադիոլոկացիոն կայանների նշանակությունը

Ռադիոլոկացիոն կայանը էլեկտրոնիկական սարք է, որի նպատակն է օբյեկտի հայտնաբերումը և տեղորոշումը։ Նրա աշխատանքի սկզբունքը կայանում է որոշակի ազդանշանի ճառագայթման և անդրադարձած ազդանշանի դետեկտման մեջ։ Ռադիոլոկացիոն կայանները համընդհանուր կերպով ընդունված է անվանել ռադար։ «Ռադար» բառը ի սկզբանե եղել է հապավում անգլերեն “radio detection and ranging” արտահայտության, բայց այսօր այդ տեխնոլոգիան այնքան տարածված է, որ այն դարձել է սովորական գոյական։ Ռադիոլոկացիոն կայանները օգտագործվում են մարդու՝ իր շրջապատին հետևելու զգացողության՝ մասնավորապես տեսողական զգացողության, հնարավորությունները ընդարձակելու համար։ Ռադարները նպատակ ունեն ոչ թե փոխարինել մարդու աչքին, այլ այն, ինչ աչքը ի վիճակի չէ անել։ Դրանք կոչված են փոխարինելու տեսանելիությանը մարդու համար անտեսանելի այնպիսի բնական պայմաններում, ինչպիսին են մթությունը, ծուխը, մառախուղը, անձրևը, ձյունը, ինչպես նաև տեսնելու որոշ պատնեշների ու մակերևույթների միջով։ Բացի այդ ռադարները ունեն մի առավելության ևս՝ մինչև օբյեկտը եղած հեռավորությունը չափելու հնարավորություն, որը հավանաբար նրանց կարևորագույն հատկություններից է։

Ռադարի պարզագույն տարբերակը՝ պատկերված նկարում, բաղկացած է հաղորդիչ անտենայից, որը ճառագայթում է որոշակի օսցիլյատորի կողմից գեներացված ազդանշանը, ընդունիչ անտենայից և էներգիա գրանցող սարքից՝ ընդունիչից։ Ճառագայթված ազդանշանի մի մասը օբյեկտի կողմից վերաճառագայթվում է տարբեր ուղղություններով, և այն բաժինը որը դեպի ետ է անդրադարձել ընդունվում է ռադարի կողմից։ Այդ էներգիան հավաքվում է ընդունիչ անտենայով և տրվում ընդունիչին, որտեղ այն ենթարկվում է մշակման թիրախի առկայության փաստը պարզելու և նրա հեռավորությունն ու հարաբերական արագությունը գնահատելու համար։

Ռադարի աշխատանքի պարզագույն նկարագրություն

Մինչև թիրախը եղած հեռավորությունը որոշվում է այն ժամանակահատվածի չափման միջոցով, որն անհրաժեշտ է ազդանշանին մինչև թիրախը գնալու և հետ վերադառնալու համար։ Եթե թիրախի և ռադիոլոկացիոն կայանի միջև կա հարաբերական շարժում, ապա անդրադարձած ազդանշանի կրող հաճախության՝ դոպլերի էֆեկտով պայամանվորված շեղման, չափման շնորհիվ կարելի է հաշվարկել թիրախի հարաբերական արագությունը, որը թույլ է տալիս տարանջատել շարժվող թիրախները անշարժ օբյեկտներից։ Ինչ վերաբերվում է ուղղության չափմանը դա սովորաբար իրականցվում է նեղփունջ անտենայով սկանավորման միջոցով։

Ռադարների զարգացումն ու կիրառությունները

Ռադարների պատմությունը հասնում է մինչև ժամանակակից էլեկտրամագնիսական տեսության վաղ ժամանակաշրջան [4, 5]։ 1886 թ.-ին Հերցը ցուցադրում է էլեկտրամագնիսական ալիքների անդրադարձումը, իսկ 1900 թ.-ին հարցազրույցի ժամանակ Տեսլան նկարագրում է էլեկտրամագնիսական հայտնաբերման և արագության չափման հասկացությունը։ 1903 և 1904 թթ. գերմանացի ինժեներ Հյուլսմեյերը իրականացնում է ռադիոալիքների անդրադարձումների միջոցով նավերի հայտնաբերման փորձարկումներ, որի գաղափարը հետագայում 1922 թ.-ին պաշտպանվում է Մարկոնիի կողմից։ Նույն թվականին ԱՄՆ-ի ծովային գիտահետազոտական լաբորատորիայի (ԾԳԼ) աշխատակիցներ Թեյլորի և Յունգի կողմից ցուցադրվում է նավի հայտնաբերումը ռադարի օգնությամբ, և 1930 թ.-ին Հայլենդը նույն լաբորատորիայից ռադարի օգնությամբ (թեև պատահաբար) հայտնաբերում է ինքնաթիռ՝ հիմքն հանդիսանալով ավելի խորացված հետազոտությունների, որոնք հանգեցրեցին 1934 թ.-ին ԱՄՆ-ում՝ ներկայումս անընդհատ գործողության (ԱԳ) ռադար անունով հայտնի պատենտի գրանցման։

Ռադարների զարգացումը արագացավ և ընդլայնվեց 1930-ական թվականների կեսերին և վերջում, հիմնականում միմյանցից անկախ զարգանալով ԱՄՆ-ում, Մեծ Բրիտանիայում, Ֆրանսիայում, Գերմանիայում, Ռուսաստանում, Իտալիայում և Ճապոնիայում։ Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ավարտին ռադարները, միկոալիքային հաճախությունները և իմպուլսային ազդանշանները ստացան իրենց արժանի գնահատականը։ Վաղ շրջանում ռադարների զարգացումը պայմանավորված էր ռազմական նպատակներով, և մինչ հիմա ռազմական ոլորտը ռադարային տեխնոլոգիաների հիմանական սպառողն ու զարգազնողն է։ Ռազմական կիրառությունները ներառում են հսկողություն, կողմնորոշում և զենքերի զեկավարում երկրային, ծովային և օդային սարքերի համար։ Ռազմական ռադարները ընդգրկում են հսկայական տիրույթ սկսած հսկայական բալիստիկ հակահրթիռային համակարգերից, վերջացրած բռունցքի չափեր ունեցող տակտիկական հրթիռներ փնտրողներով։

Հիմա ռադաները արձանագրում են կիրառությունների ոլորտի մեծացում։ Հիմնականներից են արագության վերահսկման համար ճանապարհային ոստիկանության կողմից կիրառվող ռադարները, ինչպես նաև թենիսի և բեյսբոլի գնդակների արագության չափում։ Մեկ այլ տարածում գտած ռադարներից է «գունավոր եղանակային ռադարը», որը մեկն է եղանակային ռադարներից, որոնք առավել բարդ համակարգեր են և կիրառվում են լայնամասշտաբ եղանակային դիտարկուների ու կանխատեսումների համար և մթնոլորտային հետազոտություններում։ Ռադարների մեկ այլ՝ բազմաթիվ մարդկանց հետ մեծ առնչություն ունեցող, կիրառության ոլորտներից է օդային երթևեկության կառավարման համակարգերը, որոնց նպատակն է կողմնորոշել ինքնաթիռներին ինչպես թռիչքի ընթացքում, այնպես էլ օդանավակայանի անմիջական մոտակայքում։ Ավիացիայում նաև կիրառվում են ռադարներ բարձրության չափման և վտանգավոր եղանակային պայմանների մասին նախազգուշացման համար, և արդեն սկսել են կիրառվել վատ եղանակային պայմաններում թռիչքուղու պատկերավորման համար։ Ռադարները սովորաբար կիրառվում են նաև նավերի կողմից, բախման նախազգուշացման համակարգերում, որոնք սկսել են նույն դերն իրականացնել նաև ավտոմեքենաների և բեռնափոխադրման կազմակերպությունների համար։ Տիեզերանավերում և ինքնաթիռներում տեղադրվող ռադարները մեծ դեր են խաղում երկրաբանական հետազոտությունների, միջավայրի հատկությունների, անտառային հատկությունների, տարածքի օգտագործման և աղտոտվածության պատկերավորման մեջ։ Չնայած թվարկվածները դեռ ռադարների կիրառության ամբողջ ոլորտները չեն, բայց լիարժեք ցուցադրում է թե կիրառությունների ինչ մեծ տիրույթ են ընդգրկում այս հիասքանչ տեխնոլոգիաները։

Հիմանական ֆունկցիաները

Ռադարի հիմանական խնդիրն է օբյեկտի կամ ֆիզիկական երևույթի հայտնաբերումը։ Սա պահանջում է որոշման կայացում, արդյոք տրված պահին ընդունիչի ելքում գոյություն ունի օբյեկտից անդրադարձած ազդանշան, թե պարզապես աղմուկ է։ Դետեկտման մասին որոշումը կայացվում է համեմատելով ընդունիչի ելքային ազդանշանի A(t) ամպլիտուդը (որտեղ t-ն ներկայացնում է ժամանակը) T(t) մակարդակի հետ, որը կարող է հաստատվել ապրիորի կերպով, ելնելով ռադարի նախագծից, կամ հաշվարկվել ադապտիվ կերպով՝ ելնելով ընդունված ազդանշանից։ Ժամանակը, որը անհրաժեշտ է ազդանշանին մինչև R հեռավորություն տարածվելու և հետ վերադառնալու համար, այսինքն՝ գումարային կերպով 2R ճանապարհ անցնելու համար, հավասար է 2R/c։ Ցանկացած տեսակի ռադարի դեպքում հեռավորության չափումը հիմնված է այս տրամաբանության վրա, բայց իմպուլսային ռադարի դեպքում այն առավել քան պարզ է՝ եթե իմպուլսի ճառագայթվելուց որոշակի τ ժամանակ հետո բավարարվում է y(t)>T(t), ապա կարելի է ենթադրել որ առկա է թիրախ՝

R=cτ/2

հեռավորությամբ, որտեղ c -ն լույսի տարածման արագությունն է։ Սովորաբար թիրախը հայտնաբերելուց հետո ցանակալի է հետևել նրա տեղաշարժին կամ արագությանը։ Մոնոստատիկ ռադարները որոշում են թիրախի դիրքը գնդային կոորդինատական համակարգում, որի կենտրոնը համընկնում է անտենայի փուլային կենտրոնի հետ՝ ինչպես պատկերված է նկարում։

Թիրախի դիրքի որոշումը գնդային կոորդինատական համակարգում

Այս կոորդինատական համակարգում անտենայի դիտարկման ուղղությունը՝ տվյալ պարագայում X առանցքի դրական ուղղությունը, երբեմն ընդունված է անվանել «նշանառության ուղղություն»։ θ–ն կոչվում է ազիմուտային անկյուն, իսկ φ –ն բարձրության անկյուն։ Ինչպես արդեն նկարագրվեց՝ օբյեկտի R հեռավորությունը անմիջականորեն որոշվում է ճառագայթումից մինչև ընդունում ընկած ժամանակահատվածի միջոցով։ Բարձրության և ազիմուտային անկյունները որոշվում են անտենայի ուղվածությունից, քանի որ նորմալ հայտնաբերման համար թիրախը պետք է գտնվի անտենայի գլխավոր թերթիկում։ Արագությունը գնահատվում է թիրախից անդրադարձած ազդանշանի դոպլերյան շեղման չափման միջոցով։ Դոպլերյան շեղում ապահովում է միայն շառավղային բաղադրիչը, բայց թիրախի դիրքի բազմակի չափումները և շառավղային արագությունը թույլ են տալիս ստանալ թիրախի շարժման նկարագրությունը բոլոր երեք ուղղություններով։