Ραντάρ Καιρού - Ιστορία του Ραντάρ

Transcript

1 Ραντάρ Καιρού - Ιστορία του Ραντάρ Το όνομα της συσκευής προέρχεται από τα αρχικά της αγγλικής φράσης «RΑdar Detection And Ranging», Ανίχνευση Ακτινοβολίας και Αποστασιομετρία. Δηλαδή αποτελεί μία συσκευή που λειτουργεί με ηλεκτρομαγνητικά κύματα (Radio), βρίσκει αντικείμενα (Detection) και μας πληροφορεί για την θέση αυτών (Ranging). Στα ελληνικά μεταφράζεται ως Ραδιοεντοπιστής. Το ραντάρ έχει πολλούς υποψήφιους πατέρες και ως ολοκληρωμένο σύστημα το συναντάμε στο Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Τα δύο κύρια ραντάρ που αναπτύχθηκαν αρχικά, ήταν τα CW (συνεχούς εκπομπής) και τα πιο γνωστά σε όλους παλμικά ραντάρ, τα οποία σήμερα συναντάμε σε πολλές εφαρμογές. Το 1886, ο Γερμανός φυσικός Rudolf Hertz απέδειξε πειραματικά ότι είναι δυνατό τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα να εστιασθούν σε δέσμη, όπως οι ακτίνες φωτός και όταν διοχετεύονται με κατάλληλο τρόπο στο χώρο, να ανακλώνται όταν προσπίπτουν σε ηλεκτρικά αγώγιμο αντικείμενο. Αυτό το πείραμα δημιούργησε την αρχή λειτουργίας του radar. Ο Heinrich Hertz πειραματίστηκε με μήκη κύματος των 66 εκατοστών (66cm) και κατέδειξε πως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν την ιδιότητα να ανακλώνται, όταν προσπίπτουν σε μεταλλικές επιφάνειες αλλά και σε διηλεκτρικά σώματα. Το 1903, ένας Γερμανός μηχανικός εν ονόματι Hulsmeyer, πειραματίστηκε με την ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που ανακλώνταν πάνω σε πλοία και κατέληξε στη σχεδίαση ενός συστήματος το οποίο και πατεντάρισε το 1904 με την ονομασία «συσκευή ανίχνευσης εμποδίων και υποστήριξης ναυσιπλοΐας». Όταν το παρουσίασε στο Γερμανικό Ναυτικό, αυτό δεν έδειξε ενδιαφέρον. Το 1922 οι A.H.Taylor και L.C.Young του Εργαστηρίου Ερευνών του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ (Naval Research Laboratory ή NFL), ανίχνευσαν με επιτυχία ένα ξύλινο πλοίο χρησιμοποιώντας ένα ραντάρ CW, που αποτελούνταν από ξεχωριστό πομπό και δέκτη. Το μήκος κύματος ήταν 5m. Η πρόταση που έκαναν για παραπέρα μελέτη απορρίφθηκε. Η πρώτη εφαρμογή των ιδιοτήτων της παλμικής εκπομπής για τη μέτρηση απόστασης, έγινε το 1925 σε επιστημονική ερευνητική βάση από τους Breit και Tuve για την μέτρηση του ύψους της ιονόσφαιρας. Χρειάστηκε, όμως, παραπάνω από μία δεκαετία έως να επιδειχθεί μία πετυχημένη ανίχνευση αεροσκάφους από παλμικό ραντάρ. Τα πρώτα πειραματικά ραντάρ λειτούργησαν με συνεχή εκπομπή ραδιοκυμάτων (CW) και βασίστηκαν στην παρεμβολή που παράγεται μεταξύ του απευθείας σήματος που λαμβάνει ο δέκτης και του σήματος της συχνότητας doppler, που παράγεται από την ανάκλαση ηλεκτρομαγνητικού κύματος συγκεκριμένης συχνότητας όταν προσπίπτει σε κινούμενο στόχο. 1

2 Το πρώτο αεροσκάφος ανιχνεύθηκε τυχαία με την μέθοδο της παρεμβολής του δέκτη από την συχνότητα doppler, τον Ιούνιο του 1930 από τον L.A. Hyland στο NFL των ΗΠΑ. Ο πομπός δούλευε στα 33 MHz και ήταν εγκατεστημένος στα δύο μίλια απόσταση. Η δέσμη αυτού του πομπού διαπερνούσε έναν αεροδιάδρομο σε κοντινό αεροδρόμιο. Κάθε φορά που κάποιο αεροσκάφος έκοβε τη δέσμη, ο Hyland παρατηρούσε μία αύξηση του ληφθέντος σήματος στο δέκτη. Το 1932, η συσκευή ανίχνευσε με επιτυχία αεροσκάφη σε απόσταση 50 μιλίων. Η εργασία των Taylor, Young και Hyland πατενταρίστηκε με επίσημη ονομασία: Σύστημα ανίχνευσης αντικειμένων με ραδιοκύματα. Ο τύπος ραντάρ που ήταν ένα CW ραντάρ παρεμβολής ραδιοσημάτων. Τους πρώτους μήνες του 1934, παρουσιάστηκε στο NFL ένα ακόμη ραντάρ CW παρεμβολής ραδιοσημάτων με συχνότητα λειτουργίας τα 60 MHz. Τα πρώτα CW ραντάρ ήταν ικανά να ανιχνεύουν την παρουσία και μόνο των στόχων. Ο προσδιορισμός της θέσης του στόχου ήταν ακόμη προβληματικός με τα πρώτα αυτά ραντάρ και δεν μπορούσε να βρεθεί μια λύση με τις τότε τεχνικές δυνατότητες. Η πρώτη απόπειρα εκπομπής με παλμικό ραντάρ έγιναν τελικά στο NFL αργά το Δεκέμβριο του 1934 προς Ιανουάριο του 1935, με συχνότητα λειτουργίας τα 60 MHz. Οι δοκιμές ήτανε απογοητευτικές, καθώς καμία επιστροφή σήματος (echoe) δεν παρατηρήθηκε στην λυχνία καθοδικών ακτινών. Τα σφάλματα αυτά ξεπεράστηκαν και στις 28 Απριλίου του 1936, ανακτήθηκαν επιτυχώς οι πρώτες ανακλάσεις σημάτων χρησιμοποιώντας παλμική εκπομπή και με συχνότητα λειτουργίας τα 28.3 MHz και πλάτος παλμού 5μs. Η εμβέλεια ήταν μόλις 2.5 μίλια, αλλά στις αρχές Ιουνίου η εμβέλεια έφτασε τα 25 μίλια. Τα επιτυχημένα αποτελέσματα των πειραμάτων στα 28 MHz, οδήγησε τους ερευνητές στο NFL να κατασκευάσουν μία συσκευή ραντάρ με συχνότητα εκπομπής τα 200 MHz. Τα πρώτα ανακλώμενα σήματα ελήφθησαν στις 22 Ιουλίου του Αυτό μάλιστα το ραντάρ ήταν το πρώτο που χρησιμοποίησε συσκευή duplexer για κοινή χρήση μίας κεραίας για εκπομπή και λήψη. Η εμβέλεια ήτανε μόλις 10 με 12 μίλια. Την άνοιξη του 1937 εγκαταστάθηκε και δοκιμάστηκε πάνω στο αντιτορπιλικό Leary. Η εμβέλεια αυτού του ραντάρ των 200 MHz περιοριζόταν από την ισχύ του πομπού του. Η ανάπτυξη λυχνιών μεγάλης ισχύος από την τότε εταιρεία Eitel-McCullough Corporation επέτρεψε μία βελτιωμένη έκδοση με την ονομασία XAF. Αυτό εμφανίστηκε τον Ιανουάριο του Αν και η ισχύς που έφθανε στην κεραία ήτανε μόλις 6 kw η εμβέλεια τελικώς τον Φεβρουάριο έφτασε τα 50 μίλια. Εκτεταμένες δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε θωρηκτά και καταδρομικά, οδήγησαν τελικά τον Οκτώβριο του 1939 στην εμπορική παραγγελία κατασκευής του με την ονομασία CXAM. Μέχρι το 1941, δεκαεννέα από αυτά τα ραντάρ είχαν ήδη εγκατασταθεί σε διάφορα πολεμικά πλοία του στόλου των ΗΠΑ. Τον Δεκέμβριο του ίδιου έτους κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε επιτυχώς το πρώτο παλμικό ραντάρ του στρατού των ΗΠΑ με εμβέλεια 7 μίλια. Το πρώτο επιχειρησιακό ραντάρ πήρε την κωδική ονομασία SCR-268. Χρησιμοποιήθηκε για έλεγχο και υποστήριξη αντιαεροπορικών πυρών εναντίον αεροσκαφών και ήταν διαθέσιμο το Το SCR-268 εργαζόταν σε συνδυασμό με προβολείς για έλεγχο των αντιαεροπορικών πυρών. Αυτό ήταν απαραίτητο, διότι η ακρίβεια εύρεσης της γωνίας του εναέριου στόχου δεν ήταν ακόμη μεγάλη σε αυτό το πρώτο ραντάρ..η ακρίβεια, όμως, εύρεσης της απόστασης του στόχου, ήταν κατά πολύ μεγαλύτερη από οποιοδήποτε άλλο υπάρχον οπτικό μέσο. 2

3 Το SCR-268 παρέμεινε ενεργό ως στάνταρ ραντάρ υποστήριξης αντιαεροπορικών βολών έως το 1944, οπότε και αντικαταστάθηκε από την νεότερη έκδοσή του, το SCR- 584, το οποίο δούλευε στα μικροκύματα. Το τελευταίο δεν απαιτούσε πλέον την παράλληλη υποστηρικτική χρήση προβολέων και μπορούσε να οδηγήσει και ελέγξει μία ολόκληρη αντιαεροπορική συστοιχία. Το 1939 ο στρατός των ΗΠΑ ανέπτυξε το SCR-270, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για έγκαιρη ειδοποίηση. Η επίθεση στο Pearl Harbor τον Δεκέμβριο του 1941 ανιχνεύθηκε από ένα τέτοιο ραντάρ, που ήταν εγκατεστημένο μαζί με άλλα πέντε στη Χαβάη. Ένα τροποποιημένο ραντάρ τύπου SCR- 270, ήταν το πρώτο που έλαβε το 1946 ανακλάσεις παλμικών ραδιοεκπομπών από την επιφάνεια της σελήνης. Οι πρώτες μελέτες που οδήγησαν σε επιτυχείς συσκευές παλμικών ραντάρ, αφορούσαν στρατιωτικές εφαρμογές. Οι πρώτες όμως, συσκευές ραντάρ που χρησιμοποιήθηκαν και δεν αντιμετωπίστηκαν ως τέτοιες, ήταν τα διαμορφωμένα κατά συχνότητα ραδιοαλτίμετρα τον τότε αεροσκαφών. Αυτή ήταν μάλλον και η πρώτη μη στρατιωτική συσκευή με αρχές λειτουργίας ενός CW/FM ραντάρ σε αεροσκάφη το1936. Ως στόχος λαμβάνεται η επιφάνεια του εδάφους. Στην Μεγάλη Βρετανία η ανάπτυξη του ραντάρ ξεκίνησε αργότερα από ότι στις ΗΠΑ, αλλά υπό την πίεση του επικείμενου πολέμου και επειδή γεωγραφικά ήταν πιο τρωτοί απέναντι στις αεροπορικές γερμανικές δυνάμεις, δαπανήθηκαν μεγάλα ποσά και έγιναν σοβαρές και μεγάλης έκτασης προσπάθειες. Όταν τελικά οι ΗΠΑ εισήχθη-σαν στον πόλεμο, οι Βρετανοί ήταν πλέον έμπειροι σε στρατιωτικές εφαρμογές συσκευών ραντάρ. Το ενδιαφέρον των Βρετανών ξεκίνησε το 1935, όταν ο Sir Robert Watson Watt ερωτήθηκε για το κατά πόσο είναι δυνατό να παραχθεί μία θανατηφόρα δέσμη ραδιοακτίνων. Ο Watson κατέληξε πως μια τέτοια θανατηφόρα ακτίνα θα απαιτούσε φανταστικά μεγάλα ποσά ισχύος και έτσι κάτι τέτοιο δεν ήταν εφικτό. Αντί για αυτό, πρότεινε να ερευνηθούν μέθοδοι ραδιοεντοπισμού και όχι ραδιοκαταστροφής στόχων. Τα μόνα μέσα που υπήρχαν για εντοπισμό εναέριων στόχων πριν τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ήταν ηχοεντοπιστές με μέγιστη εμβέλεια και μάλιστα σε ιδανικές συνθήκες, τα 20 μίλια. Το Υπουργείο ενθάρρυνε τις προσπάθειές του, αρχικά για ένα σύστημα που αποκλήθηκε "Radio Direction Finding" ή "RDF") και στη συνέχεια μετονομάστηκε σε ραντάρ. Χωρίς το σύστημα ραντάρ που διέθετε αποκλειστικά εκείνη την εποχή η Μ. Βρετανία, δε θα ήταν δυνατή η επιτυχής έκβαση της "μάχης της Αγγλίας" (Battle of Britain), όπως αποκλήθηκε η απόπειρα καταστροφής της RAF από τη Λουφτβάφε το Sir Robert Watson Watt 3

4 Μέχρι τον Ιούνιο του 1935, οι Βρετανοί παρουσίασαν μία τεχνική μέτρησης και της απόστασης ενός αεροπορικού στόχου, με την χρήση παλμών. Αυτό μάλιστα συνέβη σχεδόν ένα χρόνο πιο σύντομα από το πρώτο επιτυχημένο πείραμα με παλμικό ραντάρ που διεξήχθη στο NFL. Το Σεπτέμβριο είχαν πετύχει την εντόπιση βομβαρδιστικού σε απόσταση 40 μιλίων. Η χρησιμοποιούμενη συχνότητα ήταν 12 MHz. Τον ίδιο μήνα πραγματοποιήθηκε και η πρώτη μέτρηση του ύψους ενός αεροσκάφους με την αντίστοιχη μέτρηση της γωνίας των επιστρεφόμενων ανακλάσεων. Τον Μάρτιο του 1936 η εμβέλεια εντοπισμού αυξήθηκε στα 90 μίλια και η συχνότητα υψώθηκε στα 25 MHz. Τον Απρίλιο του 1937, παρουσιάστηκε ο πρώτος σταθμός παράκτιων ραντάρ στη συχνότητα των 25 MHz και Σεπτέμβριο του 1938, οι περισσότεροι σταθμοί λειτουργούσαν κανονικά και μάλιστα κατέγραψαν με επιτυχία την πορεία ενός αεροσκάφους, που μετέφερε τον τότε πρωθυπουργό της Μεγάλης Βρετανίας Neville Chamberlain στο Μόναχο για να συναντηθεί με το Χίτλερ και το Μουσολίνι. Τον ίδιο μήνα όλα τα παράκτια ραντάρ ξεκίνησαν κανονική 24ωρη επιχειρησιακή λειτουργία, καθώς όλα τα παράκτια ραντάρ ήταν εγκατεστημένα κατά μήκος των ακτών της Μάγχης και εκπέμπανε σε συχνότητες των 60 MHz. Παράλληλες προσπάθειες ανάπτυξης ραντάρ εκτελέστηκαν την ίδια εποχή και από άλλες χώρες, όπως η Γερμανία, Γαλλία, Ρωσία, Ιταλία, Ιαπωνία, μεταξύ του 1935 και 1939, αλλά και από τον Έλληνα ερευνητή Παύλο Σαντορίνη. Τα αποτελέσματα των ερευνών και οι στρατιωτικές τους εφαρμογές διέφεραν σημαντικά μεταξύ τους. Όλες εκτελούσαν πειράματα αρχικά με CW ραντάρ και παρόλο που οι Γάλλοι και Ιάπωνες ανέπτυξαν επιχειρησιακά συστήματα, τα αποτελέσματα χρήσης αυτών ήταν φτωχά. Μόνο οι ΗΠΑ και η Μεγάλη Βρετανία κατόρθωσαν στην διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου να αναπτύξουν ραντάρ που έφταναν σε συχνότητες εκπομπής μέχρι και 600 MHz αλλά τελικά όλες αυτές οι χώρες προχώρησαν στη μελέτη και ανάπτυξη παλμικών ραντάρ με επίσης συγκριτικά καλύτερα αποτελέσματα. Αριστερά: Το γερμανικό ραντάρ Wuerzburg-Riese, Δεξιά: Οι κεραίες του δικτύου Chain Home Επειδή η ανάπτυξη και εξέλιξη του ραντάρ μέχρι και τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο ήταν σχεδόν παράλληλη σε όλες αυτές τις χώρες, δεν μπορούμε να ορίσουμε κάποιο συγκεκριμένο πρόσωπο ως τον εφευρέτη αυτού. Πολύ αργότερα, το 1958, επινοήθηκαν στις ΗΠΑ τα πρώτα τρισδιάστατα (3D) ραντάρ έρευνας αέρος που μέχρι και σήμερα εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως. Μαζί με αυτού του τύπου ραντάρ, διαδόθηκαν και οι νέες κεραίες επίπεδου τύπου, οι λεγόμενες, λόγω της αρχής λειτουργίας τους, φασικές στοιχειοκεραίες. Ευρύτατα διαδεδομένα έως σήμερα εξακολουθούν να είναι τα MTI και Pulse 4 doppler ραντάρ.

5 Πώς Λειτουργεί το Ραντάρ Η μεγάλη αξία του ραντάρ οφείλεται στις σημαντικές δυνατότητες ανίχνευσης και παρακολούθησης στόχων σε μεγάλες αποστάσεις και με μεγάλη ακρίβεια. Σήμερα αποτελεί βασικό εξοπλισμό τόσο για τον έλεγχο εναέριας κυκλοφορίας, όσο και για τη ναυσιπλοΐα, τη μετεωρολογία και, φυσικά, για στρατιωτικούς σκοπούς. Η ατμόσφαιρα γύρω από το ραντάρ σαρώνεται με την περιστροφή της κεραίας οριζόντια και κατακόρυφα με διάφορες τεχνικές. Όταν ο εκπεμπόμενος παλμός σταματήσει, ο δέκτης δέχεται τα σήματα που διαχέονται από τα υδρομετέωρα ή γενικά από τους στόχους. Αυτό διαρκεί μέχρι την εκπομπή του επόμενου παλμού. Τα σήματα υφίστανται επεξεργασία από κατάλληλο επεξεργαστή, διορθώνονται τα λάθη και στη συνέχεια με κατάλληλο λογισμικό τροποποιούνται με σκοπό τη δημιουργία μετεωρολογικών και άλλων προϊόντων. Εσωτερικές διεργασίες του ραντάρ. 5

6 Weatherbox - Γεωγραφική Θέση των Ραντάρ 2 C-Band Doppler ραντάρ με ψηφιακούς δέκτες, επεξεργαστές ψηφιακού σήματος και με σταθερή παροχή ρεύματος και μονάδες διαμορφωτή. Τοποθεσία Latitude Longitude Περιοχή Φίλυρο Θεσσαλονίκη Λιόπρασο Τρίκαλα Περιοχή Κάλυψης των Ραντάρ 6

7 Χαρακτηριστικά Ραντάρ Χαρακτηριστικά: Transmitter: C-Band Solid State Transmitter Pulse Systems Model Number TR-1001A Transmitter power: 300 KW C-Band Power Supply / Modulator Magnetron: coaxial type model VMC-1891A Frequency: MHz Duty:.001 Magnetron Input: 25KV, 24 Amps Peak Power: 300 KW SIGMET, RVP8 Digital receiver and Digital Signal Processor Dual point IF signal input and single point Burst signal input Sample rate IF 72 MHz, 14-bit Programmed transmission waveforms Programmed zone band IF filters DFT (Discrete Fourier Transform) processing and GMAP (Gaussian Model Adaptive) processing Harmonic phase processing for 2 nd trip echo PPI and RHI Volume scan with RCP8 Antenna Control System (SIGMET ) Software: IRIS (SIGMET ) and TITAN (NCAR) Ψηφιακές εικόνες των ραντάρ 7