Радар

Радарска антена великог домета
(пречника око 40 m).

Израелски војни радар је типичан за контролу ваздушног саобраћаја. Антена ротира на постољу, „бришући“ локални ваздушни простор са уским вертикалним снопом електромагнетних таласа, за откривање летелица на свим висинама.

Радарски радоми у северном делу Данске.

Радом радара у Немачкој.

Радар (скраћеница од енгл. 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 компоненти, заснованих на савременој технологији електронике.

Принцип рада

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, 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

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 (енгл. 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. ”

Дуж британске источне обале, били су у низу распоређени овакви торњеви, висине око 300 m. Били су део система за рано упозорење од напада немачких авиона.

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 САД, 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.

Француз Емил Жирардо је 1934. године, објавио направљен апарат за лоцирање објеката, наводећи да је „проналазак у складу са принципима које је објавио 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 прерађен 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 висиномер.

Амерички радар SCR-268.

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, успешно је демонстрирао сличан систем.

Британци су у потпуности први, оперативно користили радаре, у систему одбране од напада авиона. Ово је било подстакнуто страховањем да Немци развијају систем „смртоносних 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 у одбрани Велике 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.

Немачки радар „Würzburg C“ (1942).

Касније је закључено да су Немци тада већ имали сопствене радаре, у многим погледима супериорније од британских, али су они радили на много краћим таласним дужинама. 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 путне брзине у саобраћају.

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 соба.

Често антена радара има 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 испуњавају 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, чиме се покрива исто кружно окружење. 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, у цивилне области. Направљена су решења за цивилне авионе и бродове, и за контролу саобраћаја на путевима и друге потребе.

У ваздухопловству, поједини типови авиона су опремљени радарским уређајима који упозоравају на препреке којима се приближавају на своме путу, тако што унапред дају тачне податке о висинском растојању до њих. Прва комерцијална примена 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.

Код борбених авиона, поред тога што испуњавају улогу навигације као код цивилних, још су и саставни део интегрисаног нападно-навигацијског система са оружјем.

Руски радар Жук-А на ваздухопловној изложби „МАКС“ 2009. године.	Фазирана антенска решетка, са активним (електронским) скенирањем, за радар авиона Пак ФА.

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

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 времена и упозоравање на лоше временске појаве, као што су торнадо и олује.

Метеоролошки радар.	Снимак метеоролошког радара.

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 (енгл. Army Operational 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 1945. године.	Радио телескопи у Џордел Бенк опсерваторији 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.

Снимак астероида 4179 Тутатис.	Радарско мапирање површине Венере.	Радарски снимак површине Титана.

Конструкција

Принцип „осветљења“ објекта и сферне рефлексије, од њега.

Први радари, били су са континуалним таласима, касније се прешло на импулсне, који имају веће могућности и боље перформансе.

Радарски систем поседује предајник који емитује електромагнетне таласе, који се зову радарски сигнали, усмерени у одређеном правцу и смеру антена — циљ. Када таласи стигну у контакт са објектом (циљем), они се рефлектују у различитим правцима, у зависности од облика „осветљење“ (додирне) површине тела. Када би осветлили металну равну плочу, постављену под 90°, у односу на њихов правац, таласи би се сви вратили истим правцем, према извору. Радари обично користе таласе учестаности између 30 MHz и 100 + GHz.

Радарски сигнали се добро одбијају од материјала велике електричне проводљивости, посебно од металних објеката, површине морске воде, мокрог земљишта и од површине мочваре. Неке од ових површина, погодне су за радарски одраз, који се може користити за радарске висиномере. Сигнали који се одбијају назад према пријемнику су пожељни и корисни за наменску функцију радара, они су у правцу и смеру циљ — антена пријемника. Електромагнети таласи се одбијају од чврстих објеката у ваздуху, или вакууму, који добро рефлектују радарске сигнале. Та особина чини радар погодним за детекцију авиона, бродова и других покретних и непокретних објеката. Детектоване информације садрже растојање, правац и брзину у односу на позицију радара. Ако су само расположиве информације растојање и азимут, то је 2D радар, а ако је присутна и висина, то је онда 3D. Када се објекат креће, од или према радару, мења се учесталост радио-таласа, због Доплеровог ефекта, што је основа за један од начина мерења његове брзине.

Шема принципа преноса сигнала и рада радара.	Блок шема радара.

Радарски пријемници су најчешће, али не увек, на истој локацији као и предајник. Одбијени радарски сигнали, ухваћени са пријемном антеном су обично веома слаби, те се са електронским уређајем појачавају у функцији и за потребе приказа резултата детекције. Са софистицираним методима обраде сигнала, са процесором високих перформанси, исти се коригују за пригодну и корисну презентацију на приказивачу (екрану).

Мерење трајања одласка и повратка радарског таласа је основа за мерење
даљине циља.

Слаба апсорпција радарских таласа од стране ваздуха, кроз који пролазе, основа је која омогућава радару да открије присуство објеката на релативно великом растојању, на којима зраци других таласних дужина, као што су светлосни, инфрацрвени, и ултраљубичасти, сувише брзо слабе и немају ефекат. Магла, облаци, киша, снежне падавине и суснежица блокирају светлосне таласе (смање видљивост), а скоро и да немају утицаја на простирање радарских таласа. Одређене, специфичне учестаности радарских таласа, које апсорбују или разлажу водена пара, киша или гасови у атмосфери (нарочито кисеоник), избегавају се при пројектовању радара, осим када је исти намењен за њихово откривање. Пренос радарских таласа кроз медиј, до објекта, назива се радарски сноп који осветљава циљ, без обзира на чињеницу што су ти таласи потпуно невидљиви за људско око или камеру.

Електромагнетни таласи се не простиру добро под водом. Стога се за подводну примену користи, сонар,
чији принцип рада је базиран на рефлексији звучних таласа.

Одраз (рефлексија) таласа

Рефлексијом се може радаром уочити осветљени ураган, као овај из 1960. године.

Електромагнетни таласи се рефлектују од површина које чине границу додирујућих материјалних средина (тела), са значајном међусобном разликом диелектричне и константе пермеабилности. То значи одговарајући објекат у ваздуху или вакууму, или остале значајније промене у атомској густини између објекта и окружења, рефлектоваће радарске таласе. Ово се посебно односи за материјале добре електричне проводљивости као што су метали и зато су радари посебно погодни за детекцију авиона, бродова и других возила. Материјали који апсорбују радарске зраке, користе се за израду објеката, као што су војна возила, са циљем да се истима смањи рефлексија радарских таласа, односно смањи уочљивост помоћу радарских система. У тој функцији се користе композитни материјали, магнетне супстанце, специјални премази тамне боје. Све су то средства за умањење уочљивости (смањења видљивости), такозвана стелт технологија (енгл. stealth technology).

Радарски таласи се рефлектују на различите начине, зависно од њихове величине и облика објекта. Ако је емитовани талас много краћи од циља, рефлексија ће бити слична као кад се светлост одбија од равног огледала. Учесталост радарских сигнала зависе од учесталости генерисаних таласа, а не од карактеристика идентификованог објекта. Рани радари су користили сигнале велике таласне дужине, веће од објекта, тако да су повратно примали слабе сигнале. Савремени системи користе краће таласне дужине (пар сантиметара) и тада се постиже детекција објеката величине векне хлеба. Ипак, радари велике таласне дужине погоднији су за детектовање на већим даљинама (користе се у војним системима за рано упозоравање).

Кратки таласи се рефлектују од заобљених површина, на сличан начин као што је светлосни одсјај од заобљеног комада стакла. Најбољи је повратни сигнал ако се осветли унутрашњост тела које има три равне површине које се састају у једној тачки, слично углу у унутрашњости кутије. Тада се добије ефекат радарског рефлектора. Најефикаснија је детекција са кратким таласима, који осветле плочасту равну површину под правим углом. Из тих разлога се по овим правилима, избегавајући примену већих плочастих површина, обликују невидљиви авиони, са чиме се допунски смањује њихова уочљивост, уз коришћење и других технологија. Та технологија је примењена при пројектовању авиона неуобичајеног облика F-117, где су у одређеној мери компромисно жртвовани критеријуми аеродинамичког обликовања. Ове мере делимично смањују радарски одраз због дифракције таласа, нарочито веће дужине.

Парчад материјала добре проводљивости, чија је величина једнака половини таласне дужине радарског таласа, имају добру рефлексију, али расејавају енергију у разним правцима, при чему је повратно према извору усмерена мања енергија. Мера колико објекат расејава радарске таласе, са којима је „осветљен“, се описује са појмом површине радарског пресека. Што је овај параметар мањи од стварног геометријског попречног пресека објекта, постигнут је већи ефекат расипања таласа, односно постигнуто је веће смањење уочљивости (више је објекат невидљив).

Ефекат парчића материјала добре рефлексије, користи се у војсци, за пасивне мере заштите од радарског откривања авиона или брода. Постоје системи са „диполима“ (малим ракетама), које се обично пуне са станиолским листићима. Када је авион у опасности откривања и држања у радарском снопу противника, у циљу лансирања и вођења своје ракете ваздух-ваздух, тада се избацују „диполи“ са станиолским листићима, са којима се после њихове експлозије, цело окружење брањеног авиона нађе у облаку од њих. Тако се направи потпуна дисперзија радарског „осветљења“ нападача. Тада се нападнути авион не види на екрану авиона нападача, а престане да буде и мета, за навођење помоћу интерног радара његове лансиране ракете.

Математичка дефиниција параметара радара

Сферна расподела густине неусмереног радарског зрачења.$\ S_{A_{1}}$, $\ S_{A_{2}}$...је локална специфична снага посматраног радарског снопа, при проласку кроз одговарајућу сферну површину.

Генератор радарских таласа је њихов извор, из једне тачке у неком простору. Када нема њиховог усмеравања, они се простиру по истим законитостима таласног кретања као и звук, у свима правцима равномерно, по скупу правих линија, радијално распоређених у односу на једну тачку (извор). То је случај када се простиру кроз вакуум. Њихова густина $\ S_{u}$ (снага по јединици површине) опада удаљавањем од извора. Свака сферна површина, чији је заједнички центар положај извора радарског зрачења, представља поље исте густине неусмереног радарског зрачења. Са порастом полупречника сфере, њена површина расте (A= 4 π R^2), а густина неусмереног радарског зрачења опада, као што је илустровано на слици десно. Што доказује да густина неусмереног радарског зрачења $\ S_{u}$ (специфична снага) опада са удаљавањем од извора (генератора).

$\ S_{u}={\frac {P_{s}}{\ A}}\quad \longmapsto \quad \ S_{u}={\frac {P_{s}}{{4}{\pi }\cdot {R^{2}}}}$

Радарски систем користи ову физикалност електромагнетног зрачења, које је усмерено са антеном, у облику снопа према објекту (циљу), у намени његове идентификације, одређивања параметара положаја и кретања. Рефлектовани део емитованог снопа прихвата пријемник радара, преко пријемне антене.

Усмерена густина радарског зрачења је:

$\ S_{g}=\ S_{u}\cdot G\quad \longmapsto \quad \ S_{g}={\frac {P_{s}}{{4}{\pi }\cdot {R^{2}}}}\cdot G$

Радарско „осветљење“ циља и повратна рефлексија зрачења,
према пријемној антени.

Рефлектована снага зрачења, од „осветљеног“ објекта, враћена је према пријемној антени радара (види слику десно). Та снага је функција густине неусмереног радарског зрачења, ефикасности антене одашиљача и од ефективне радарске површине — површина радарског пресека ($\sigma$).

$\ P_{r}=\ S_{u}\cdot G\cdot \sigma \quad \longmapsto \quad \ P_{r}={\frac {P_{s}}{{4}{\pi }\cdot {{R_{1}}^{2}}}}\cdot G\cdot \sigma$

Густина пријемне снаге одбијеног радарског зрачења, испред пријемне антене, резултат је расподеле електромагнетног зрачења по површини коре лопте, чији је полупречник растојање од „осветљеног“ објекта до пријемне антене $\ R_{2}$ (што се додирује са објектом). Аналитички се добија када се рефлектована снага зрачења подели са површином омотача лопте. Користи се одређивање примљене снаге на антени $\ P_{e}$:

$\ S_{e}={\frac {P_{r}}{{4}{\pi }\cdot {\ {R_{2}}^{2}}}}\quad \iff \quad \ P_{e}=\ S_{e}\cdot A_{w}\quad \longmapsto \quad \ P_{e}=\ S_{e}\cdot A\cdot K_{a}\quad \iff \quad A_{w}=A\cdot K_{a}$

$\ P_{e}={\frac {P_{r}}{{4}{\pi }\cdot {{R_{2}}^{2}}}}\cdot A\cdot K_{a}$

Примљена снага повратног сигнала

У општем случају, када су предајник и пријемник на истој локацији ($\ R_{1}=R_{2}$) и заменом рефлектоване снаге $\ P_{r}$, одговарајућим изразом, помоћу илустроване математичке трансформације, добија се потпунији облик једначине за примљену снагу сигнала.

Површина радарског пресека (σ) авиона и других објеката зависи од тога под којим углом је радарски „осветљен“.

Увођењем параметра таласне дужине $\ \lambda$, у последњу једначину на горњој слици,
преко одговарајуће везе:

$\ G={\frac {{4}{\pi }\cdot A\cdot K_{a}}{\lambda ^{2}}}\quad \longmapsto \quad A\cdot K_{a}={\frac {G\cdot \lambda ^{2}}{{4}{\pi }}}$

Приказаном трансформацијом, добијају се једначине за теоретско срачунавање основних перформанси радара.

$\ P_{e}={\frac {{P_{s}}\cdot {G}^{2}\cdot \sigma \cdot \lambda ^{2}}{\left({4}{\pi }\right)^{3}\cdot \ {R}^{4}}}\quad \longmapsto \ R={\sqrt[{4}]{\frac {P_{s}\cdot {G}^{2}\cdot \lambda ^{2}\cdot \sigma }{P_{e}\cdot ({4}{\pi })^{3}}}}$

$\ R_{max}={\sqrt[{4}]{\frac {{P_{s}}\cdot {G}^{2}\cdot \lambda ^{2}\cdot \sigma }{{P_{e}}_{min}\cdot (4\pi )^{3}}}}\quad \longmapsto \ R_{max}={\sqrt[{4}]{\frac {{P_{s}}\cdot G^{2}\cdot \lambda ^{2}\cdot \sigma }{{P_{e}}_{min}\cdot ({4}{\pi })^{3}\cdot L_{gub}}}}$

Смањење максималног домета, у функцији недостајања снаге одређеног броја модула, због отказа, за предајник
са укупно 32 модула.

Прва једначина показује да снага повратног сигнала опада, са четвртим степеном растојања, што значи да је пријем сигнала од далеких циљева веома отежан. На основу ове једначине, може се срачунати растојање између радара и „осветљеног“ објекта (циља), ако су познати сви потребни параметри.

Највећи домет радара, дефинисан је другом једначином, на основу минималне снаге $\ {P_{e}}_{min}$, коју може прихватити пријемна антена, а довољна је за детекцију циља.

Ове једначине су прихватљиве за теоретско срачунавање перформанси радара. Међутим за већу тачност је неопходно узети у обзир губитке, апсорпцију медија кроз који се преносе таласи, као и губитке због њихове дисперзије. Ови губици се дефинишу са укупним фактором губитака (L_gub), који је збир парцијалних. Услед постојања ових губитака, очигледно је да се смањује радарски домет. Проток радарских таласа кроз идеалну средину вакуума, нема никаквих губитака (L_gub = 1). У другим срединама је (L_gub > 1).

У пракси се проблем своди на то да мали губици и други чиниоци, под четвртим кореном, губе практични значај па се може довољном тачношћу упростити једначина:

$\ R_{max}\approx {\sqrt[{4}]{P_{s}}}$

Ознаке коришћених појмова и карактеристика:

• $\ A_{i}$ [m^2] = сферична површина омотача лопте, полупречника $\ R$
• $\ A$ [m²] = геометријска површина антене
• $\ A_{w}$ [m²] = ефективна површина антене
• $\ S_{u}$ [W/m²] = густина неусмереног радарског зрачења
• $\ S_{g}$ [W/m²] = густина усмереног радарског зрачења
• $\ S_{e}$ [W/m²] = густина пријемне снаге радарског зрачења
• $\ P_{s}$ [W] = снага предајника
• $\ P_{r}$ [W] = рефлектована снага
• $\ P_{e}$ [W] = примљена снага повратног сигнала

• $\ R$ [m] = удаљеност од предајника до места посматране вредности густине неусмереног радарског зрачења
• $\ R_{1}$ [m] = удаљеност од предајника до циља
• $\ R_{2}$ [m] = растојање од циља до пријемника
• $\ G$ = ефикасност предајне антене
• $\ \sigma$ [m²] = површина радарског пресека
• $\ \lambda$ [m] = таласна дужина
• $\ L_{gub}$ = фактор губитака
• $\ K_{a}$ = коефицијент ефикасности антене

Доплеров ефекат

Главни чланак: Доплеров ефекат

Доплеров ефекат заснива се на принципу промене учестаности услед релативног кретања радара и објекта, предмета детекције. Тада долази до промене учестаности таласа, регистрованог у пријемнику радара. На пример, звук путује са релативно малом брзином, око 360 m/s, и због тога је могуће запазити Доплеров ефекат када прође возило са брзином од 4 m/s и са укљученом сиреном. Мада, овај пример резултује у малој промени учестаности, свега од (1%), али људско ухо то веома добро региструје.

Промена таласне дужине изазване са релативним кретањем извора.

Анимација илуструје Доплеровог ефекта, који аутомобил изазива у покрету, са звуком сирене. Интензитет звука расте при приближавању аутомобила уху посматрача, а при удаљавању опада. Ружичасти кругови су звучни таласи. Када се аутомобил креће лево од посматрача (прошао га), сваки следећи талас се емитује са позиције даље налево од претходног. Дакле, за посматрача испред аутомобила, сваки талас има мало мање времена да га достигне од претходног таласа. Таласи се „гомилају“, па је време између доласка два суседна смањено, дајући им већу учестаност. За посматрача са леђа аутомобила (десно), сваки талас траје нешто дуже време да га достигне од претходног. Таласи се размичу, па је време између доласка следећег благо повећано, дајући им нижу учестаност.

Поједностављено, за лако разумевање феномена, погодна је и следећа аналогија. Када се претпостави постојање два играча са лоптама, бацач и хватач. У случају када хватач стоји у месту, а бацач се креће и баца лопте хватачу у истим временским размацима између суседна два бацања. Претпоставља се, да се све бачене лопте увек крећу са константном брзином, на целој својој путањи. У случају када би ове обе особе стајале у месту, хватач би имао исто време између хватања две суседне лопте. Међутим, када се бацач креће у односу на хватача, ситуација је другачија. У току његовог приближавања хватачу, лопте би стизале са перманентним смањењем временског размака између две суседне. У тренутку њиховог најмањег растојања, тај временски размак између пристиглих лопти би био најкраћи. После тога тренутка, како растојање између играча расте, расло би и време између пристизања две суседне лопте. У аналогији са радаром, бацач лопти је „радарски одраз“, а хватач је радарски пријемник. Па се по тој аналогији мења и таласна дужина, при простирању таласа код релативном кретању циља (рефлектора) и пријемника, што је и илустровано на сликама десно. Дакле, релативна разлика у брзини између извора и једног посматрача је оно што изазива Доплеров ефекат. У случају радара, брзина његових таласа је много већа него брзина звука, па је и последична промена много мања. Савремена електроника, мерна и рачунарска технологија, боље региструју и обрађују ове промене него што је то у стању људско ухо, за звук. Брзине, као што су пар сантиметара у секунди, могу се Доплеровим ефектом веома лако измерити, а прецизност је много већа него код других метода. Практично сваки савремени радар користи овај принцип.

Радар са Доплеровим ефектом, користи ефекат промене учестаности таласа (f) са променом релативног положаја објекта (циља), за мерење његове брзине. Једначина, за тако дефинисан проблем, сагласна Доплеровом ефекту, гласи: $f={\frac {v+v_{r}}{v-v_{s}}}\cdot {f_{0}}\quad \longmapsto \quad \ v_{s}=\ v-\left(v+v_{r}\right)\cdot {\frac {f_{0}}{f}}$

Где је:

$\ f_{0}$ = референтна учестаност $\ f$ = измењена учестаност $\ v=c_{0}$ = брзина радарског таласа (брзина светлости)

$\ v_{r}$ = радијална брзина посматрача (пријемника радара) $\ v_{s}$ = радијална брзина циља —

Често се користе промене фазе повратног сигнала уместо промене учестаности. Треба подвући да је само радијална компонента брзине на располагању за мерење. Стога, када се објекат креће под правим углом, у односу на радарски зрак, не региструје се брзина, док ако су објекат и пријемник на заједничкој путањи кретања региструје се потпуна брзина.

Поларизација

Радар емитује сигнале у виду усмереног осцилирајућег таласа. Поларизација је облик равни у којој талас осцилује. Према облику равни и облику осциловања, у њој, постоји подела поларизације:

• По карактеристикама
  • линеарна и
  • случајна (насумична).

• По облику
  • вертикална,
  • хоризонтална,
  • циркуларна (лева и десна) и
  • елиптична.

Осветљење циља са хоризонталном и вертикалном поларизацијом. За овај облик циља, ефикаснија је хоризонтална.	Лева „циркуларна поларизација“. Код ње је кружно простирање радарских таласа.	Упоредно, све три врсте поларизације радарских таласа. Кружна је у средини.

Вертикална и хоризонтална се одвијају у тим равнима. Циркуларна се кружно одвија у леву или у десну страну. Елиптична се добија са сабирањем сложених сигнала истих учестаности.

Циркуларна поларизација се користи за смањење утицаја влаге на простирање радарских таласа. Линеарна поларизација, користи се за површине метала, и помаже да се игнорише утицај влаге. Случајна (насумична) поларизација, користи се за фракталну површину, као што су стене или земљиште и користе се код навигационих радара.

Карактеристике и фактори ремећења

Сноп, путања и домет радарског зрачења

Радарски зрак у вакууму има линеарну, а у атмосфери закривљену путању услед варијација индекса преламања ваздуха. Чак када се зрак паралелно емитује са земљином површином, он се удаљава изнад ње, због закривљености испод хоризонта. Осим тога, сигнал слаби од утицаја средине кроз који пролази, а зраци и цео њихов сноп деформишу свој облик.

Максимални домет конвенционалних радара може бити ограничен са више фактора:

• Линија видљивости, која зависи од њене висине изнад земље.
• Максимални „недвосмислени“ домет, који је одређен са могућношћу понављања учестаности импулса. То јест, када импулс путује дуж линије домета и врати се пре следећег емитованог пулса, то је „максимални недвосмислени домет“
• Осетљивост радара и снага повратног сигнала, обрачунати су у једначинама перформанси радара. У њима су укључени утицајни фактори губитака и смањења „уочљивости“, као што је радарски попречни пресек циља.

Бука

У електроници бука се односи на електронски сигнал који је аналоган шуму у аудио систему. „Бука“ је интерни извор случајних промена у сигналу, који може бити генерисан од било које електронске компоненте. Обично се појављује као случајна варијација сабирања са нежељеним одјеком сигнала, добијеним у радарском пријемнику. Мања снага жељеног (корисног) сигнала, теже надјача и издваја се од „буке“ (слично покушавају да се чује шапат поред пролазећег воза). Фактор шума је мера „буке“ регистроване од пријемника, у односу на идеални пријем. Та разлика треба бити сведена на минимум.

„Буку“ (шум) генеришу насумичне термичке промене, чији је узрочник обично електроника. У електричном проводнику, дешавају се промене отпора и генерисање топлоте, без обзира на примењени напон.

„Бука“ се такође генерише и из спољних извора и то најчешће из природне топлотне радијације око окружења приоритетног циља. Код модерних радарских система, због високих перформанси пријемника, унутрашња „бука“ је обично нивоа „буке“ спољашњег окружења или нешто мања. Изузетак је ако је радар у окружењу ведрог неба, када је хладније па се генерише врло мала спољашња топлотна „бука“.

Такође, појављује се варирање буке због проласка електрона, које зависи од односа 1/f. Овај допринос буке много је мањи, од топлотне, када је учестаност велика. Стога, код импулсних радара, систем увек ради са променљивом учестаности, па се бира област најмање „буке“.

Средњи квадратни напон услед топлотне „буке“ $\ v_{n}$, генерисан из електричног отпора $\ R$, преко пропусног опсега $\ \Delta f$, дат је једначином:

$\ v_{n}={\sqrt {4k_{B}TR\Delta f}}$

$;\quad \iff \quad \quad$

Где је: $\ k_{B}$ = Болцманова константа $\ T$ = температура у степенима Келвина

Да би се смањио ниво унутрашње топлотне „буке“, хладе се поједина електронска кола система радара. „Бука“ се може смањити и ако се сигнал подели преко више филтера за обраду сигнала импулсног Доплера, чиме се смањује његов ниво, сагласно броју филтера. Ова побољшања зависе од кохерентности решења.

Мешање

Радарски системи морају да превазиђу нежељене сигнале и да се фокусирају само на стварне циљеве од интереса за извршење задатка. Ови нежељени сигнали могу да потичу од унутрашњих и спољних пасивних и активних извора. Способност радарског система за превазилажење ових нежељених сигнала је да дефинише свој однос „сигнал-бука“ (SB). „Сигнал-бука“ је дефинисан као однос снаге сигнала (битне информације) и позадинске „буке“ (нежељени сигнал):

$\mathrm {SB} ={\frac {P_{\mathrm {signal} }}{P_{\mathrm {buka} }}},$

Више система се користе за изолацију сигнала стварног циља од околних нежељених сигнала (шума, односно буке). SB је мера, која се користи у науци и инжењерству, који пореди ниво жељеног сигнала са нивоом „буке“ у позадини. Као што је приказано, дефинише однос снаге сигнала и снаге шума. Однос већи од 1:1 показује више сигнала од буке. Док се SB често односи на електричне сигнале, може се применити и на било коју другу врсту сигнала.

У горњој једначини P је просечна снага. Оба сигнала, снаге корисног и снаге шума морају да се мере на истим или еквивалентним тачкама у систему, а у оквиру истог пропусног опсега система. Ако се сигнали мере преко исте импедансе, онда се SB може добити израчунавањем односа квадрата њихових амплитуда:

$\mathrm {SB} ={\frac {P_{\mathrm {signal} }}{P_{\mathrm {buka} }}}=\left({\frac {A_{\mathrm {signal} }}{A_{\mathrm {buka} }}}\right)^{2},$

Где однос амплитуда је квадратни корен од SB, може се нпр. односити и на сигнале напона. Многи сигнали имају веома широк динамички опсег, па се SB често изражава помоћу логаритамске скала децибела. У децибелима, SB је дефинисан однос снаге:

$\mathrm{S}\mathrm{B}=10lo{g}_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}}{P_{\mathrm{b}\mathrm{u}\mathrm{k}\mathrm{a}}}\right)=P_{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l},\mathrm{d}}$