مقدمة عن الرادار
الرادار: هو عبارة عن مستشعر كهرومغناطيسي يستخدم للكشف عن الأشياء المختلفة الأنواع وتحديدها وتتبعها والتعرف عليها على مسافات كبيرة، تعمل عن طريق نقل الطاقة الكهرومغناطيسية نحو الأشياء، والتي يشار إليها عادةً باسم الأهداف، ومراقبة الأصداء العائدة منها، قد تكون الأهداف هي الطائرات والسفن والمركبات الفضائية والسيارات والأجسام الفلكية، أو حتى الطيور والحشرات والمطر، إلى جانب تحديد وجود هذه الأجسام وموقعها وسرعتها، يمكن للرادار أحيانًا الحصول على حجمها وشكلها أيضًا، ما يميز الرادار عن أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء والبصرية هو قدرته على اكتشاف الأجسام البعيدة في ظل ظروف جوية معاكسة وتحديد مداها أو بعدها بدقة.
إنّ الرادار هو بمثابة جهاز استشعار “نشط”، من حيث أنّ له مصدر إضاءة خاص به (جهاز إرسال) لتحديد الأهداف، تعمل عادةً في منطقة الموجات الصغرية من الطيف الكهرومغناطيسي، تُقاس بالهرتز بترددات تمتد من حوالي 400 ميغا هرتز (MHz) إلى 40 جيجاهرتز (GHz)، ومع ذلك فقد تمّ استخدامه على ترددات منخفضة للتطبيقات بعيدة المدى (ترددات منخفضة تصل إلى عدّة ميغا هرتز، وهو النطاق HF [عالي التردد] أو الموجة القصيرة)، وعلى الترددات الضوئية والأشعة تحت الحمراء (تلك الخاصة بالرادار الليزري، أو ليدار)، تختلف مكونات الدوائر والأجهزة الأخرى لأنظمة الرادار باختلاف التردد المستخدم، وتتراوح الأنظمة في الحجم من تلك الصغيرة بما يكفي لتناسب راحة اليد إلى تلك الضخمة جدًا بحيث تملأ العديد من ملاعب كرة القدم.
خضع الرادار للعديد من التطورات السريعة خلال ثلاثينيات وأربعينيات القرن الماضي لتلبية احتياجات الجيش، لا يزال يتم استخدامه على نطاق واسع من قبل القوات المسلحة، حيث نشأ عليه العديد من التطورات التكنولوجية الحديثة، في الوقت نفسه، وجد الرادار عددًا متزايدًا من التطبيقات المدنية المهمة، ولا سيما مراقبة الحركة الجوية، ومراقبة الطقس، والاستشعار عن بعد للبيئة، وملاحة الطائرات والسفن، وقياس السرعة للتطبيقات الصناعية وإنفاذ القانون، والمراقبة الفضائية، والكواكب.
قصة اختراع الرادار
بدأ العمل التنموي الجاد على الرادار في الثلاثينيات، لكنّ الفكرة الأساسية للرادار تعود أصولها إلى التجارب الكلاسيكية على الإشعاع الكهرومغناطيسي التي أجراها الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر، حيثُ شرع هيرتز في التحقق تجريبيًا من العمل النظري السابق للفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل، صاغ ماكسويل المعادلات العامة للمجال الكهرومغناطيسي، وحدد أنّ كلّاً من موجات الضوء والراديو هي أمثلة على الموجات الكهرومغناطيسية التي تحكمها نفس القوانين الأساسية ولكن لها ترددات مختلفة على نطاق واسع، أدّى عمل ماكسويل إلى استنتاج مفاده أنّ موجات الراديو يمكن أن تنعكس من الأجسام المعدنية وتنكسر بواسطة وسط عازل تمامًا كما تفعل موجات الضوء.
أظهر “Hertz” هذه الخصائص في عام 1888، باستخدام موجات الراديو ذات الطول الموجي 66 سم والذي يتوافق مع تردد يبلغ حوالي 455 ميجاهرتز، لم تمر الفائدة المحتملة لعمل (Hertz) كأساس للكشف عن الأهداف ذات الأهمية العملية دون أن يلاحظها أحد في ذلك الوقت، في عام 1904، تم إصدار براءة اختراع لـ “كاشف العوائق وجهاز ملاحة السفن”، استنادًا إلى المبادئ التي أوضحها هيرتز، في العديد من البلدان إلى كريستيان هولسمير، مهندس ألماني، بنى “Hülsmeyer” اختراعه وأظهره للبحرية الألمانية لكنه فشل في إثارة أي اهتمام، ببساطة لم تكن هناك حاجة اقتصادية أو مجتمعية أو عسكرية للرادار حتى أوائل الثلاثينيات.
عندما تم تطوير قاذفات عسكرية بعيدة المدى قادرة على حمل حمولات كبيرة، دفع ذلك الدول الكبرى في العالم إلى البحث عن وسيلة لاكتشاف اقتراب الطائرات المعادية، جربت معظم الدول التي طورت الرادار قبل الحرب العالمية الثانية طرقًا أخرى للكشف عن الطائرات، وتضمنت هذه التنصت على الضوضاء الصوتية لمحركات الطائرات واكتشاف الضوضاء الكهربائية الناتجة عن اشتعالها، جرب الباحثون أيضًا أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء، ومع ذلك لم يثبت أي من هؤلاء فعاليته.
تطور الرادارات
تمّ تطوير أول رادارات عسكرية خلال الثلاثينيات من القرن الماضي، بدأت الجهود المبذولة لاستخدام أصداء الراديو للكشف عن الطائرات بشكل مستقل وفي نفس الوقت تقريبًا في ثماني دول كانت مهتمة بالوضع العسكري السائد ولديها بالفعل خبرة عملية في تكنولوجيا الراديو، بدأت الولايات المتحدة وبريطانيا العظمى وألمانيا وفرنسا والاتحاد السوفيتي وإيطاليا وهولندا واليابان جميعًا في تجربة الرادار في غضون عامين تقريبًا من بعضها البعض بحماس، بدرجات متفاوتة من الدوافع والنجاح، في تطويرها للجيش المقاصد، كان لدى العديد من هذه الدول شكل من أشكال معدات الرادار التشغيلية في الخدمة العسكرية في بداية الحرب العالمية الثانية، تم إجراء أول ملاحظة لتأثير الرادار في مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية (NRL) في واشنطن العاصمة.
في عام 1922، وضع باحثو (NRL) جهاز إرسال لاسلكي على أحد شواطئ نهر بوتوماك وجهاز استقبال على الشاطئ الآخر، تسببت سفينة تبحر في النهر بشكل غير متوقع في تقلبات في شدّة الإشارات المستقبلة عند مرورها بين المرسل والمستقبل، (اليوم سيُطلق على مثل هذا التكوين اسم الرادار الثنائي)، وعلى الرغم من النتائج الواعدة لهذه التجربة، لم يكن مسؤولو البحرية الأمريكية راغبين في رعاية المزيد من العمل، تمت “إعادة اكتشاف” مبدأ الرادار في (NRL)، وفي عام 1930 عندما لاحظ (L.A. Hyland)، أنّ طائرة تحلق عبر حزمة هوائي الإرسال تسببت في حدوث تذبذب في الإشارة المستقبلة، على الرغم من أنّ (Hyland) ورفاقه في (NRL) كانوا متحمسين لإمكانية اكتشاف الأهداف عن طريق وسائل الراديو وكانوا حريصين على متابعة تطويرها بجدية، إلّا أنّ السلطات العليا في البحرية أبدت القليل من الاهتمام.
لم يتم التعرف على قيمة الرادار للكشف عن الطائرات والسفن وتتبعها إلّا بعد أن تم تعلم كيفية استخدام هوائي واحد لكل من الإرسال والاستقبال (يُطلق عليه الآن اسم الرادار الأحادي)، تم عرض مثل هذا النظام في البحر على متن البارجة يو إس إس نيويورك في أوائل عام 1939، كانت الرادارات الأولى التي طورها الجيش الأمريكي هي (SCR-268) (بتردد 205 ميجاهرتز) للتحكم في نيران المدافع المضادة للطائرات وSCR-270 (بتردد 100 ميجاهرتز) للكشف عن الطائرات، كان هذان الراداران متاحين في بداية الحرب العالمية الثانية، كما كان رادار المراقبة البحرية (CXAM) على متن السفن (بتردد 200 ميجاهرتز)، كان (SCR-270)، وهو واحد من ستة طائرات متوفرة في هاواي في ذلك الوقت، والذي اكتشف اقتراب الطائرات الحربية اليابانية نحو بيرل هاربور، بالقرب من هونولولو.
في 7 ديسمبر 1941، لم يتم تقدير أهمية ملاحظات الرادار حتى بدأت القنابل في السقوط، بدأت بريطانيا بحثًا عن الرادار للكشف عن الطائرات، في عام 1935 شجعت الحكومة البريطانية المهندسين على المضي قدمًا بسرعة لأنّها كانت قلقة للغاية بشأن الاحتمال المتزايد للحرب، بحلول سبتمبر 1938، كان أول نظام رادار بريطاني، تشين هوم، قد دخل في العمل لمدة 24 ساعة، وظل يعمل طوال الحرب، سمحت رادارات (Chain Home) لبريطانيا بنشر دفاعاتها الجوية المحدودة بنجاح، ضد الهجمات الجوية الألمانية الثقيلة، كانت تعمل عند حوالي 30 ميجاهرتز، فيما يسمّى نطاق الموجة القصيرة، أو (HF)، وهو في الواقع تردد منخفض جدًا للرادار.
ربما لم يكن هذا هو الحل الأمثل، لكن مخترع الرادار البريطاني، السير روبرت واتسون وات، اعتقد أنّ شيئًا ما كان ناجحًا ومتاحًا أفضل من الحل المثالي الذي كان مجرد وعد أو قد يأتي بعد فوات الأوان، بدأ الاتحاد السوفيتي أيضًا العمل على الرادار خلال الثلاثينيات، في وقت الهجوم الألماني على بلدهم في يونيو 1941، كان السوفييت قد طوروا عدّة أنواع مختلفة من الرادارات وكانوا في إنتاج رادار للكشف عن الطائرات يعمل عند 75 ميجاهرتز (في النطاق عالي التردد [VHF])، تعطل تطويرهم وتصنيع معدات الرادار بسبب الغزو الألماني.
كيفية عمل الرادار
يتضمن الرادار عادةً إشعاع حزمة ضيقة من الطاقة الكهرومغناطيسية إلى الفضاء للهوائي، تقوم حزمة الهوائي الضيقة بمسح المنطقة التي يتوقع فيها تحقيق الأهداف، عندما تضيء الحزمة هدفًا، فإنّها تعترض بعض الطاقة المشعة وتعكس جزءًا منها نحو نظام الرادار، ونظرًا لأنّ معظم أنظمة الرادار لا ترسل وتستقبل في نفس الوقت، غالبًا ما يستخدم هوائي واحد على أساس تقاسم الوقت لكل من الإرسال والاستقبال، يستخرج المستقبل المرتبط بعنصر الخرج للهوائي الإشارات المنعكسة المرغوبة ويرفض (بشكل مثالي) الإشارات التي لا تهم، على سبيل المثال، قد تكون إشارة الاهتمام هي صدى صوت طائرة، قد تكون الإشارات غير المهمة صدى من الأرض أو المطر، والتي يمكن أن تخفي وتتداخل مع اكتشاف الصدى المطلوب من الطائرة.
يقيس الرادار موقع الهدف في النطاق والاتجاه الزاوي، يتم تحديد النطاق أو المسافة من خلال قياس الوقت الإجمالي الذي تستغرقه إشارة الرادار للقيام برحلة ذهابًا وإيابًا إلى الهدف والعودة، يتم العثور على الاتجاه الزاوي لهدف من الاتجاه الذي يشير فيه الهوائي في وقت استقبال إشارة الصدى، من خلال قياس موقع الهدف في لحظات متتالية من الوقت، يمكن تحديد المسار الأخير للهدف، بمجرد إنشاء هذه المعلومات، يمكن توقع المسار المستقبلي للهدف، في العديد من تطبيقات رادار المراقبة، لا يعتبر الهدف “مكتشفًا” حتى يتم تحديد مساره.
