رادار

الرادار أو الكاشوف (بالإنجليزية: Radar) هو نظام يستخدم موجات كهرومغناطيسية للتعرف على بعد وارتفاع واتجاه وسرعة الأجسام الثابتة والمتحركة كالطائرات، والسفن، والعربات، وحالة الطقس، وشكل التضاريس. يبعث جهاز الإرسال موجات لاسلكية تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال. وتكون الموجات المرتدة إلى المستقبل ضعيفة، فيعمل جهاز الاستقبال على تضخيم تلك الموجات مما يسهل على الكاشوف أن يميز الموجات المرسلة عن طريقه من الموجات الأخرى كالموجات الصوتية وموجات الضوء. يستخدم الكاشوف في مجالات عديدة كالأرصاد الجويّة لمعرفة موعد هطول الأمطار، والمراقبة الجوية، ومن قبل الشرطة لكشف السرعة الزائدة، وأخيرًا والأهم استخدامه بالمجال العسكري. سمي الرادار بهذا الاسم اختصارًا لعبارة RAdio Detection And Ranging ((تُلفظ بالإنجليزية: ‎/reɪˈdioʊˌ dəteˈkʃən ən(d) reɪˈnʤiŋ/‏)).

التاريخ

أول من استعمل الموجات اللاسلكية للكشف عن وجود أجسام معدنية عن بعد كان العالم الألماني كريستيان هولسماير الذي كشف عن وجود سفينة في الضباب ولكن من غير تحديد المسافة وذلك في عام 1904.
أنشأ نيكولا تيسلا رائد علم الكهرباء الأسس المرتبطة بين الموجات ومستوى الطاقة قبل الحرب العالمية الثانية، وبالتحديد في شهر أغسطس من سنة 1917، فكان هذا الكاشوف البدائي.
أما الكاشوف أحادي النبض فقد ظهر في عام 1934 بالولايات المتحدة ثم ألمانيا وفرنسا، وذلك على يد إم يلي جيراردو، الذي اخترع أول كاشوف فرنسي حسب تصورات تيسلا الأساسية، في حين أن أول ظهور للكاشوف الكامل كان في بريطانيا، حيث طوّر كإحدى وسائل الإنذار المبكرة عن أي هجوم للطائرات المعادية، وذلك في عام 1935. ازدادت نسبة الأبحاث خلال الحرب العالمية الثانية بهدف ابتكار أفضل الكواشف بوصفها تقنيات دفاعية، حتى ظهرت كواشف متحركة بمواصفات أفضل. وخلال السنوات التي تلت الحرب، استخدم الكاشوف بشكل كبير في المجال المدني، كمراقبة الملاحة الجوية والأرصاد وحتى بالمجال الفلكي بعلم القياسات الفلكية.

الانعكاس

تنعكس الموجات الكهرطيسية، وأحيانًا تتبدد، عند أي اختلاف كبير في ثوابت العزل الكهربائي أو التعاكس المغناطيسي (الديامغناطيسية)، وهذا يعني أن المواد الصلبة الموجودة بالهواء أو الفراغ أو أي تغيير ملموس بالكثافة الذرية بين الجسم والبيئة المحيطة به سوف يبدد الإشعاع أو الموجات اللاسلكية، وتنطبق هذه الظاهرة على الموصلات الكهربائية كالمعادن والألياف الكربونية والتي تساعد الكاشوف على الكشف على الطائرات والسفن بسهولة.
تحتوي المواد التي تمتص موجات الكاشوف على مقاومة ومواد مغناطيسية وتستخدم بالعربات العسكرية لخفض انعكاس الموجات، وكذلك الحال بالنسبة للأصباغ الداكنة.
تتشتت موجات الكاشوف بعدة أشكال اعتمادا على طول الموجة وشكل الهدف. فإذا كان طول الموجة أقصر من حجم الهدف فإن الموجة سترتد باتجاهات متغايرة كالضوء على المرآة، وإذا كانت الموجة أطول من حجم الهدف فإن الهدف سيكون متقاطب (الشحنات الموجبة والسالبة منفصلة) مثل الإريال ثنائي الأقطاب. استخدمت الكواشف المبكرة موجات ذات أطوال عالية أطول من الهدف مما جعلها تستقبل إشارات مبهمة، لكن الحديثة منها تستخدم أطوال قصيرة جدا بحيث يمكنها التقاط أهداف بحجم رغيف الخبز.
تنعكس الموجات اللاسلكية القصيرة من الزوايا والمنحنيات بطريقة مشابهة للمعان قطعة زجاج مدورة. وللأهداف الأكثر عكسا للموجات القصيرة زوايا يصل قياسها إلى 90 درجة بين الأسطح المنعكسة، الجسم الذي يحتوي على 3 أسطح تلتقي بزاوية واحدة كزاوية علبة، تعكس الموجات الداخلة إليها مباشرة إلى المصدر وتسمى بالزوايا العاكسة وهذه الطريقة تستعمل لتسهيل الكشف الرإداري وتوجد بالقوارب لتسهيل حالات الإنقاذ وتقليل الاصطدامات.
وهناك أنواع من الأجسام المصممة لتجنب الكشف الرإداري، وذلك بعمل زوايا أجسامها بطريقة تمنع الكشف، حيت أن حوافها تكون عمودية لاتجاه الكشف مما يقود لاتجاه العكس كما بطائرة الشبح، ومع ذلك فإن التخفي لا يكون كاملا بسبب عامل انحراف الموجات وخاصة للموجات الطويلة.

الاستقطاب

يتعامد المجال الكهربائي لإشارات الكاشوف المرسلة مع اتجاه الموجة، واتجاه هذا المجال يكون هو استقطاب الموجة، وبالتالي فإن قطبية الكاشوف تكون إما أفقية أو عمودية أو على شكل خط مستقيم أو دائرية، حتى يمكنه الكشف على عدة أنواع من الانعكاسات، فمثلا الاستقطاب الأفقي يستخدم لتقليل التشويش الآتي من المطر، والاستقطاب المعاد على خط مستقيم يستخدم للتعريف على الأجسام المعدنية، والاستقطاب العشوائي المعاد يدل على الأسطح الصغيرة والأجسام الصلبة كالصخور والأرض وهذا النوع من الكواشف يستخدم لمراقبة الملاحة الجوية.

التداخل

يهدف نظام الكاشوف إلى تخطي بعض الإشارات غير المرغوبة الناشئة من مصادر داخلية أو خارجية، سواء سلبية أو إيجابية، حتى تظهر الأهداف الحقيقية. وتعرف تلك المقدرة على تخطي موجات التشويش بنسبة الإشارة إلى الضجيج، (بالإنجليزية: signal to noise ratio, SNR)، وكلما كانت النسبة سالفة الذكر مرتفعة كلما كانت نقاوة الموجة المستقبلة أفضل.

الضوضاء

إشارة الضوضاء هي مصدر داخلي من الاختلافات المتعددة للإشارة، وتشكلت إلى حد ما من قبل القطع الإلكترونية الداخلية. وهي مضافة بشكل عشوائي على الموجة المرتدة بالكاشوف المستقبل، وكلما ضعفت الإشارة المستقبلة كلما زادت صعوبة تطهيرها من الضجيج، وأفضل مثال على ذلك هو سماع همسات بجانب طريق مزدحم. لذلك من الأهمية تقليل تلك الضوضاء بتقليل عواملها، وتقاس تلك الضوضاء المنتجة داخل الجهاز المستقبل مقارنة مع الجهاز المثالي وكلما قلت الكمية المقروءة كلما كان الاستقبال أفضل.
هناك ضوضاء ذات مصدر خارجي يكون سببها عادة الحرارة الطبيعية المحيطة بالهدف. في أنظمة الكاشوف الحديثة، تكون أجهزة الاستقبال ذات كفاءة بحيث أن الضوضاء الداخلية تكون بسيطة وأقل حدة من الضوضاء الخارجية. أيضا هناك ما يعرف بالضوضاء المتقطعة، التي تظهر خلال مرور الإلكترونات وتكون ذات علاقة عكسية مع الموجة، بمعنى أنه كلما زادت قوة الموجة كلما قلت تلك الضوضاء بشكل كبير. يستخدم الكاشوف النبضي النظام التمازجي، بمعنى اقتران ترددين.

التشويش

إن مصدر تشويش الردار هو الموجات اللاسلكية الناشئة من خارج النظام، وهي ترسل على موجة الردار وتخفي الأهداف المرغوبة. قد يكون التشويش متعمدا، كما في حالة الأسلحة المضاد للردارات المستخدمة في الحروب الإلكترونية، وقد يكون غير متعمد كما في حالة موجات الردارات الصديقة التي تعمل على نفس الموجة الرإدارية. ينظر إلى التشويش على أنه قوة تداخل فعالة، لأنها تنشأ من عناصر خارج النظام غير مرتبطة بإشارات الردار.
يعتبر التشويش مشكلة معقدة، ذلك لأن الموجة المشوشة تحتاج أن تتوجه إلى الكاشوف المعني دون حاجة للرجوع، بينما موجة الكاشوف تتجه ذهابا وإيابا: الكاشوف-الهدف-الكاشوف، فتقل قوتها بشكل ملموس مع عودتها للمستقبِل. تحتاج أجهزة التشويش إلى طاقة أقل من أجهزة الكاشوف ولكنها تبقى ذات فعالية قوية وقادرة على إخفاء الأهداف، الواقعة ضمن مدى البصر، من المشوش إلى الكاشوف (فص التشويش الرئيسي، Mainlobe Jamming). للمشوش تأثير مضاف إلى تأثير الكاشوف على طول مدى البصر خلال استقبال موجة الأخيرة، ويسمى هذا التأثير "فص التشويش الجانبي" (بالإنجليزية: Sidelobe Jamming). يمكن تقليل فص التشويش الرئيسي عن طريق تضييق الزاوية المجسمة له، ولكن لا يمكن إزالتها خاصة عندما تواجه مباشرة المشوِش الذي يستخدم نفس الموجات ونفس الاستقطاب الذي يستخدمه الكاشوف. يمكن التغلب على الفصوص الجانبية للتشويش بواسطة تصميم هوائي يقلل استقبال الفصوص الجانبية، وأيضا عن طريق استخدام هوائي لجميع الاتجاهات (بالإنجليزية: omnidirectional antenna) لكشف وإهمال إشارات الفصوص الجانبية.
من التقنيات الأخرى المضادة للتشويش: الاستقطاب وقفزات التردد، والأخيرة عبارة عن تغيير التردد بتسلسل عشوائي يعرفه المرسل والمستقبل فقط. يشكل التداخل حاليا مشكلة للنطاق C-band الذي تستخدمه الأرصاد الجوية على موجة 5.4 جيغا هرتز مع تقنية الواي فاي.

وقت العبور

هناك طريقة واحدة لقياس بعد الهدف وهي إرسال نبضة قصيرة من موجة لاسلكية (إشعاع كهرومغناطيسي) ثم حساب الوقت حتى عودتها من الهدف، وسرعة الموجة هي سرعة الضوء(186.000 ميل بالثانية) والمسافة تكون نصف الرحلة كلها (ذهابا وإيابا)، ويتطلب حساب هذه المسافات بدقة بعض الأجهزة المتطورة الدقيقة.
إن المستقبِل لا يعمل في لحظة إرسال الموجة والسبب هو جهاز المبدل التناوبي (بالإنجليزية: Duplexer)، وهو يعمل على تناوب الكاشوف ما بين إرسال واستقبال بمعدل زمني محدد سلفا، ولمعرفة مسافة الهدف يقاس طول الموجة ويضرب بالسرعة ويقسم الحاصل على اثنين. أما الكشف على أهداف أقرب فيتطلب توافر موجات أقصر.
ومن العوامل التي تفرض استعمال المدى الأقصى، عودة النبضة من الهدف بلحظة إرسال نبضة أخرى، الأمر الذي يجعل المستقبِل لا يستطيع التمييز بين النبضات، وبهذه الحالة ينبغي إطالة المدى باستخدام وقت أطول بين النبضات أو ما يسمى توقيت تكرار النبضات (بالإنجليزية: pulse repetition time). المشكلة أن هذان العاملان يميلان لأن يكونا متضادين، إذ ليس سهلا دمج موجتان إحداهما قصيرة المدى والأخرى طويلة بكاشوف واحد، والسبب أن النبضات القصيرة المطلوبة عند الحد الأدنى للبث الجيد ذات طاقة ضعيفة، مما يقلل عدد الموجات العائدة وتكون الأهداف صعبة الكشف، ولتجنب ذلك تتم زيادة النبضات مرة أخرى لتقليل الحد الأعلى للمسافة، لهذا السبب فإن كل كاشوف يستخدم نوع خاص من الإشارة. فالكواشف ذات المدى البعيد تستخدم نبضات طويلة ذات توقيت انتشار أطول، والكواشف ذات المدى القصير تستخدم نبضات قصيرة مع توقيت انتشار أقل، لتشكيل عدد من النبضات والتوقيت يسمى تردد النبضات المتكرر (بالإنجليزية: pulse repetition frequency)، وهو أحد الصفات المهمة للكاشوف. ومنذ أن تطورت أنظمة الكواشف بحيث أصبح بإمكانها تغيير تردد النبضات المتكرر ومن ثم تغيير المدى، أصبحت الكواشف المتطورة أو الحديثة تطلق نبضتين بالضربة الواحدة، إحداهما للمسافات القصيرة، أي لحوالي 6 أميال، والأخرى لحوالي 60 ميل للمسافات الطويلة.
يعتمد تحليل المسافة ومميزات الإشارة المستقبلة (مقارنة مع الإزعاج الآتي معها) بقوة على شكل النبضة. تكون النبضة عادة معدلة للحصول على كفاءة أفضل بتقنية تسمى انضغاط النبضات (بالإنجليزية: pulse compression).

تعديل التردد

شكل آخر لقياس المسافة بالكاشوف يستند على تعديل التردد FM، ومقارنة التردد ما بين إشارتين أكثر دقة إلى حد بعيد (حتى بالأنظمة الرإدارية القديمة) من توقيت الموجة، عن طريق تغيير تردد الإشارات الراجعة ومقارنتها مع الأصلية ثم حساب الفرق بينهما. تستخدم هذه التقنية بكاشوف الموجة المتصلة وبالطائرات كذلك الأمر حيث يطلق عليه تسمية مقياس الارتفاع الراديوي. تكون إشارة الكاشوف الحاملة بتلك الأنظمة معتدلة التردد، أو تتخذ شكل موجة الجيب أو شكل سن المنشار لترددات الصوت، وهذه الإشارة ترسل بهوائي ويستقبلها هوائي آخر (وتلك الهوائيات تكون بالجانب السفلي من الطائرة) وتتم المقارنة بين الإشارات بشكل متواصل. بما أن تردد الإشارة يتغير فالإشارة العائدة تكون مزاحة عن ترددها الأصلي، فمعدل الإزاحة يزداد كلما ازدادت الفترة لعودة الإشارة، أي كلما ازداد الفرق بالتردد كلما كانت المسافة أطول. يعتبر نظام معالجة الموجة هنا مشابها لنظام كاشوف دوبلر.

قياس السرعة

السرعة هي فرق المسافة مع الزمن، لذلك فإن النظام الموجود لقياس المسافة يقترن مع سعة الذاكرة لمعرفة مكان وجود الهدف فيسهل عليه قياس السرعة. كانت الذاكرة بالقلم والمسطرة على الشاشة لاستخراج السرعة سابقا، أما الآن فالكاشوف الحديث يستخلص السرعة بكفاءة أفضل بواسطة الحاسوب. وإذا كانت معطيات المرسل متماسكة أي متطابقة المراحل، فسيكون هناك تأثير آخر لجعل قياسات السرعة فورية دون حاجة للذاكرة، وهو ما يسمي بتأثير دوبلر. تستخدم هذه الأساسيات بالأنظمة الحديثة للكاشوف وتسمى "كاشوف دوبلر النبضي". تكون الإشارات العائدة من الهدف منحرفة عن التردد الأصلي خلال تأثير دوبلر مما يمكن حساب سرعة الجسم بالنسبة إلى الكاشوف. يمكن لتأثير دوبلر أن يحدد السرعة النسبية للهدف خلال مدى البصر الخاص الممتد من الكاشوف للهدف فقط. فأي عنصر من سرعة المستهدف يكون عمودي على مدى البصر لا يمكن تحديده بطريقة تأثير دوبلر وحدها، ولكن يمكن تحديده بمتابعة اتجاه السمت للهدف، وهذا النظام الأخير يسمى "كاشوف الموجة المتصلة".

تقليل تأثيرات التداخل

يستخدم معالج الإشارة بالكاشوف لتقليل آثار التداخل، وذلك بالأنظمة التالية: بيان الأهداف المتحركة، كاشوف دوبلر، معالجات كشف الأهداف المتحركة، معالجة تكيف الزمن الفضائي، ثابت معدل الإنذارات الكاذبة، معالج التضاريس الرقمي الذي يستخدم في بيئات الموجات المزعجة، بالإضافة إلى أنه مرتبط بأهداف كاشوف المراقبة الثانوي.

تصميم الهوائي

تنتشر إشارة الموجة اللاسلكية التي تبث من الهوائي بجميع الجهات، كذلك فإن الهوائي الذي يستقبل الإشارات يستقبلها من جميع الجهات، وهذا ما يسبب للكواشف مشكلة تحديد موقع جسم الهدف. كانت الأنظمة القديمة تستخدم هوائي متعدد الاتجاهات للبث مع هوائيات استقبال محددة الاتجاه، ومثال على ذلك نظام "Chain Home"، الذي يستخدم هوائيان متعامدان للاستقبال، كل هوائي بشاشة مختلفة، حيث يستقبل الهوائي المتعامد على جسم الهدف أعلى إشارات الموجات، ويستقبل الهوائي المواجه له الإشارات الدنيا، عندها يستطيع العامل على الكاشوف أن يعرف مكان الهدف بتحريك الهوائي، فيظهر جسم الهدف المطلوب بوضوح على الشاشة بينما تظهر الأجسام الأخرى بشكل بسيط. أحد أوجه القصور المهمة مع هذا النوع من الحلول هو أن البث سيكون بجميع الاتجاهات، لذلك ستكون نسبة الطاقة المفحوصة من المكان المطلوب قليلة وبالتالي للحصول على كمية معقولة من الطاقة الآتية من الهدف يفضل أن يكون هوائي الإرسال موجّه.

عاكس مكافئ المقطع

تستخدم الأنظمة الحديثة طبق ذا توجيه مكافئ المقطع لإنتاج حزمة بث قوية وطبق مماثل للمستقبل لها، مثل تلك الأنظمة تدمج ترددين بالهوائي المفرد للحصول على توجيه تلقائي، أو ما يسمى "غلق الكاشوف".

مرشد الموجة المخروم

استخدامه مثل استخدام العاكس مكافئ القطع، فهوائي مرشد الموجة المخروم ميكانيكي النقل وملائم لأنظمة مسح الأسطح الغير متابعة (بالإنجليزية: non-tracking surface scan systems) حيث النمط العمودي يبقى ثابتا. يستخدم هذا المرشد بالسفن والمطارات وكواشف مراقبة الموانئ بسبب كلفته القليلة ومقاومته للرياح بشكل أكبر من الهوائي العاكس المكافئ.

المنظومة التدريجية

من أشكال الكواشف الأخرى ما يسمى بالمنظومة الرإدارية التدريجية، التي تستخدم مجموعة من الهوائيات المتشابهة مماثلة التباعد. وفي هذه المنظومة تكون الإشارة لكل هوائي منفردة، لذلك فإنها تكون قوية بالاتجاه المطلوب وملغية بالاتجاهات الأخرى، فإذا كانت تلك الهوائيات المنفردة على مستوى واحد والإشارة تغذي الهوائيات كل على حدة في كل مرحلة، فإن الإشارة ستكون قوية بالاتجاه العمودي للسطح المستوي. وبتغيير الشكل النسبي للإشارة المغذاة لكل هوائي فإن اتجاه الحزمة سيتحرك لأن اتجاه التداخل البناء سيتحرك، ولأن كاشوف المنظومة التدريجية لا يتطلب حركة للمسح فالحزمة يمكنها مسح آلاف الدرجات بالثانية الواحدة وبسرعة كافية للإشعاع وتتبع أهداف كثيرة، وتدير مدى واسع من البحث بكل مرحلة. يمكن تشغيل بعض الهوائيات وإطفائها ببساطة والحزمة يمكنها الانتشار للبحث والتضييق لمتابعة الهدف، أو تنشطر إلى رإدارين حقيقين أو أكثر حتى، ولكن الشعاع لا يمكن توجيهه بشكل فعال على زوايا صغيرة بأسطح المصفوفات، ولأجل تغطية شاملة فالمصفوفات المتعددة مطلوبة كلها. يقول الخبراء أن التوزيع المثالي للمصفوفات هو على أوجه مثلث هرمي.
كانت كواشف المنظومة التدريجية تستخدم منذ أن ظهر الكاشوف للمرة الأولى أيام الحرب العالمية الثانية، ولكن محدودية الأنظمة الإلكترونية أدت إلى خلل بالدقة. وهي حاليا تستخدم بالصواريخ الدفاعية، وهو نظام الدرع الوقائي الموجود بالسفن وأنظمة صوارخ الباتريوت.
بما أن أسعار البرمجيات والإلكترونيات هبطت، فإن ذلك النظام أصبح أكثر شمولية، فجميع أنظمة الكاشوف العسكرية الحديثة تقريبا تعتمد على المنظومة الرإدارية التدريجية، ومع ذلك لا تزال الهوائيات المتحركة التقليدية منتشرة على نطاق واسع والسبب هو رخص السعر، وهي موجودة بمراقبة الملاحة الجوية وكواشف الطائرات المدنية وغيرها.
هذا النظام له قيمة وأهمية بسبب أنه يمكنه تتبع أكثر من هدف. أول طائرة استعملت هذا النظام هي بي-بي1 لانسر. وأول مقاتلة استخدمت تلك المنظومة الرإدارية (SBI-16 زاسلون) هي طائرات ميغ 31، وهي تعتبر إحدى أفضل أنظمة الرادار المحمولة جوا.