بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
محاسبات سطح مقطع راداري( (RCS شناورهاي نظامی
چکیده
زمانی که جسمی توسط امواج رادار مورد تابش قرار می گیرد مانند یک آنتن عمل کرده و میدان هـاي دور و نزدیـک زیـادي خواهـد داشـت. سـطح مقطع راداري یک هدف (RCS)، سطحی فرضی است که سیگنال هاي دریافتی از رادار را با هرتوانی بطور مساوي در همه جهت هـا بازتـاب نمایـد.
مقدار پرتوهاي بازتابشی از هدف، متناسب با RCS هدف بوده که اندازه اش رابطه ي مستقیمی با احتمال آشکارسازي آن توسـط رادار دارد. در ایـن مقاله مشخصه RCS یک شناور نظامی مورد بحث قرار خواهد گرفت. ابتدا مفهوم RCS و لزوم توجه بـه آن در طراحـی شـناورهاي نظـامی ارائـه خواهد گردید، سپس در ادامه با استفاده از نرم افزار پارامرین مشخصات RCS براي یک شناور نظامی محاسبه شده و مورد بررسی قرار میگیرد.
کلمات کلیدي: رادار، سطح مقطع راداري((RCS، شناور نظامی، اختفا.
مقدمه
اولین تجربه درمورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتزآلمانی درسال 1886 بدست آمد. پس از گذشت مدت زمان کمی اولـین رادارکـه ازآن بـراي آشکارسازي کشتیها استفاده میشد مورد بهره برداري قرارگرفت. درسالهاي 1920 تا 1930 پیشرفتهایی درجهت ساخت رادار بـا قابلیـت تعیـین فاصله اهداف صورت گرفت. اولین رادارهاي تصویري در طی جنگ جهانی دوم براي آشکارسازي و موقعیت یابی کشتیها و هواپیماها اسـتفاده شـد.
بعد از جنگ جهانی دوم رادار با دید جانبی (SLAR) جهت جستجوي اهداف نظامی وکشف مناطق نظامی ساخته شد. اینگونه رادارهـا بـا داشـتن آنتن درسمت چپ و راست مسیر پرواز قادر به تفکیک دقیقتر اهداف موردنظر بودند. درسال 1950 با توسعه سیسـتمهاي SLAR تکنولـوژي رادار دهانه ترکیبی (رادار با آنتن ترکیبی) گامی درجهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شـد. درسـال 1960 اسـتفاده ازرادارهـاي هـوایی و فضـایی توسعه یافت وعلاوه برکاربرد نظامی جهت نقشه برداریهاي جغرافیایی و اکتشافات علمی و... نیزمورد استفاده قرار گرفتند.[1]
رادارگریزي2به عمل پنهان شدن یاگریختن از دید رادار و وسایل آشکارساز گفته می شود. رادارگریزي بیش از اینکه یک تکنولوژي باشد، یک مفهوم است که گستره وسیعی ازتکنولوژي ها و ویژگیهاي طراحی را در برمیگیرد. به عنوان یک مفهوم، رادارگریزي چیز جدیدي نیست. اولین بار در جنگ جهانی دوم زیردریاییها از روکشهاي ویژهاي بر روي پریسکوپهاي خود استفاده کردند تا از دید رادارها بگریزند.[2]
درقرن نوزدهم فیزیکدان اسکاتلندي جیمزکلرك ماکسول یک سري فرمولهاي ریاضی ابداع کرد که نحوه تفرق و بازتابش تشعشع الکترومغناطیسی از روي یک شکل هندسی معین را پیشبینی می کرد. این معادلات بعدا توسط دانشمند آلمانی آرنولد یوهانز و مرفلد تصحیح شدند. اما براي مدتی طولانی، بزرگترین مانع در برابر موفقیت طراحان فقدان مدلهاي نظري درباره نحوه بازتاب امواج از روي یک صفحه بود. دردهه 1960 دانشمند روسی پیوتر اوفیمتسوف معادلاتی براي پیشبینی بازتاب امواج الکترومغناطیسی از اشکال دوبعدي ساده ابداع کرد.[3]
بعد از جنگ جهانی دوم، فرماندهان نظامی و طراحان به این نتیجه رسیدند که طراحی ها باید به گونه اي باشد که براي دشمن قابل شناسایی نباشد و میدانهاي آنها آشکارسازي نشود، براي نیل به این هدف،لازم است که تسلیحات تا حد ممکن داراي کمترینRCS باشند (در این حالت امواج برگشتی از این اجسام به سمت رادار گیرنده کمتر شده و یا اینکه پراکنده می شود). لازم به ذکر است که چهار روش اصلی براي کاهش سطح مقطع راداري وجود دارد:
-1 شکل دهی
-2 مواد جاذب راداري
-3 حذف غیرفعال
-4 حذف فعال در طراحی تجهیزات دریایی ابزارهاي نرمافزاري جدید و همچنین تکنیک هاي کاربردي جدید استخراج و توسـعه داده مـی شـود. نتیجـه آن، آسـان سازي کابردها در زمینه هاي مختلف می باشد. درنتیجه حتی قابلیت هاي محاسباتی بیشتر نیز بدست می آید. این موضوع به ما این اجازه را مـی دهـد که ارتباطات را بهتر شناسایی کنیم و یکپارچهسازي کاربردها را بهتر انجام دهیم. گزینه هاي روشنی که در این زمینـه بـراي معمـاران یـا طراحـان دریایی محورهاي خاصی محسوب می شوند عبارت از اختفا و قابلیت زندگی یـا دوام اسـت، کـه ایـن گزینـه هـا خـود شـامل زیرگـروه هـاي زیـادي می باشد.[4] در این مقاله ابتدا مفهوم رادار و نحوه عملکرد آن توضیح داده شده است و محاسبات لازم جهت تعیین RCS ارائه شده است، سپس با استفاده از نرم افزار پارامرین مشخصه RCS یک شناور نظامی مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا بـه مشخصـات و ورودي هـاي مـورد نیـاز جهـت تحلیل اشاره شده است و سپس نمودارها و مشخصات خروجی مورد تحلیل قرار گرفته است.
اصول کلی رادار و عملکرد آن
رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که براي تشخیص و تعیین موقعیت هدفها به کار می رود. این دستگاه بر اساس یک شکل مـوج خـاص بـه طرف هدف براي مثال یک موج سینوسی با مدولاسیون پالسی3 و تجزیه وتحلیل بازتاب4 آن عمل می کند. رادار به منظـور توسـعه توانـایی حسـی چندگانه انسانی براي مشاهده محیط اطرافمخصوصاً حس بصري به کار گرفته شده است. ارزش رادار در این نیست که جایگزین چشم شـود بلکـه ارزش آن در عملیاتی است که با چشم نمی توان انجام داد. با رادار نمیتوان جزئیات را مثل چشم مورد بررسی قرار داد و یا رنگ اجسام را بـا دقتـی که چشم دارد تشخیص داد بلکه با رادار می توان درون محیطی را که براي چشم غیر قابل نفوذ است دید مثل تـاریکی، بـاران، مـه، بـرف و غبـار و غیره. مهمترین مزیت رادار، توانایی آن در تعیین فاصله یا حدود هدف می باشد.
نام رادار براي تاکید روي آزمایشهاي اولیه دستگاهی که آشکارسازي وجود هدف و تعیین فاصله آن را انجام می داده بکـار رفتـه اسـت. کلمـه رادار (RADAR) اختصاري از کلمات: Radio Detection And Ranging است، چرا که رادار در ابتدا به عنوان وسـیله اي بـراي هشـدار نزدیـک شدن هواپیماي دشمن به کار می رفت و ضدهوائی را در جهت مورد نظر میگرداند. اگر چه امروزه توسط رادارهاي جدید و با طراحی خوب اطلاعات بیشتري از هدف، علاوه بر فاصله آن بدست می آید، ولی تعیین فاصله هدف (تا فرستنده) هنوز یکی از مهمتـرین وظـایف رادار مـی باشـد. بـه نظـر میرسد که هیچ تکنیک دیگري به خوبی و به سرعت رادار قادر به اندازه گیري این فاصله نیست.
یک رادار ساده شامل آنتن فرستنده، آنتن گیرنده و عنصر آشکارساز انرژي یا گیرنده میباشد. آنتن فرستنده پرتوهاي الکترومغناطیسی تولیـد شـده توسط نوسانگر5را منتشر میکند. بخشی از سیگنال ارسالی (رفت) به هدف خورده و در جهات مختلف منعکس میگردد. براي رادار انرژي برگشـتی در خلاف جهت ارسال مهم است.
آنتن گیرنده انرژي برگشتی را دریافت و به گیرنده میدهد. در گیرنده بر روي انرژي برگشتی، عملیاتی براي تشخیص وجود هدف و تعیین فاصـله و سرعت نسبی آن، انجام می شود. فاصله آنتن تا هدف با اندازهگیري زمان رفت و برگشت سیگنال رادار معین می شود. تشخیص جهـت، یـا موقعیـت زاویه اي هدف توسط جهت دریافت موج برگشتی از هدف امکان پذیر است. روش معمول بري مشخص کردن جهت هدف، بـه کـار بـردن آنـتن بـا شعاع تشعشعی باریک می باشد. اگر هدف نسبت به رادار داراي سرعت نسبی باشد، تغییر فرکانس حامل موج برگشتی (اثر دوپلر(6 معیاري از ایـن سرعت نسبی (شعاعی) میباشد که ممکن است براي تشخیص اهداف متحرك از اهداف ساکن به کار برود.در رادارهایی کـه بطـور پیوسـته هـدف را ردیابی می کنند، سرعت تغییر محل هدف نیز بطور پیوسته آشکار میشود.
معمولترین شکل موج در رادارها یک قطار از پالسهاي باریک مستطیلی است که موج حامل سینوسی را مدوله میکند. فاصله هدف با انـدازه گیـري زمـان رفـت و برگشـت یـک پـالس، TR، بـه دسـت مـی آیـد. از آنجـا کـه امـواج الکترومغناطیسـی بـا سـرعت نـور در فضـا منتشـر مـی شـوند. C 3108 m / s پس این فاصله، R، برابر است با:
به محض ارسال یک پالس توسط رادار، بایستی قبل از ارسال پالس بعدي یک مدت زمان کافی بگذرد تا همه سیگنالهاي انعکاسی دریافتو تشخیص داده شوند.
بنابراین سرعت ارسال پالسها توسط دورترین فاصله اي که انتظار میرود هدف در آن فاصله باشد تعیین میگردد. اگر تواتر تکرار پالسها7 خیلـی بـالا باشد، ممکن است سیگنالهاي برگشتی از بعضی اهداف پس از ارسال پالس بعدي به گیرنده برسـند و ابهـام در انـدازه گیـري فاصـله ایجـاد گـردد.
انعکاسهایی که پس از ارسال پالس بعدي دریافت می شوند اصطلاحاًرا انعکاسهاي مربوط به پریود دوم8 گویند چنین انعکاسـی در صـورتی کـه بـه عنوان انعکاس مربوط به دومین پریود شناخته نشود ممکن است فاصله راداري خیلی کمتري را نسبت به مقدار واقعی نشان بدهد.
حداکثر فاصله اي که پس از آن اهداف به صورت انعکاسهاي مربوط به پریود دوم ظاهر می گردند را حداکثر فاصله بدون ابهام9گویند و برابر است با:
انواع مدولاسیون مناسب دیگري نیز امکان پذیر است. حامل پالس ممکن است داراي مدولاسیون فرکانس یا فاز باشد تا سیگنالهاي برگشتی پس از دریافت در زمان فشرده شوند. این عمل مزایایی درقدرت تفکیک بالا در فاصله11می شود بدون این که احتیاج به پـالس باریـک کوتـاه مـدت باشـد. که در آن f p =تواتر تکرار پالس بر حسب هرتز میباشد. اگر چه رادارهاي معمولی یک موج با مدولاسیون پالسی10 ساده را انتشـار مـیدهنـد ولـی روش استفاده از یک پالس مدوله شده طولانی براي دسترسی به قدرت تفکیک بالاي یک پالس باریک، اما بـا انـرژي یـک پـالس طـولانی، بـه نـام فشردگی پالس12 مشهور است.
در این مورد موج پیوسته (CW) را نیز می توان به کاربرد و ازجابجایی تواتر دوپلر براي جداسازي انعکـاس دریـافتی از سـیگنالرفت و انعکاسـهاي ناشی از عوامل ناخواسته ساکن13 استفاده نمود. با استفاده از موج CW مدوله نشده نمیتوان فاصله را تعیین کرد و براي این کار بایـد مدولاسـیون فرکانس یا فاز به کار رود.[5]
فرم ساده معادله رادار
معادله رادار، برد رادار را به مشخصات فرستنده، گیرنده، آنتن، هدف و محیط مربوط می سازد. این معادله نه تنها جهت تعیین حداکثر فاصله هـدف تا رادارمفید است بلکه براي فهم عملکرد رادارو پایه اي براي طراحی رادار به کار می رود. در این قسمت فرم ساده معادله رادار ارائه می گردد.
اگر توان فرستنده رادار P1 و آنتن فرستنده ایزوتروپ (در همه جهات یکسان تشعشع کند) باشد، چگالی توان14 (توان در واحد سطح) در فاصله R از رادار برابر است با توان فرستنده بر مساحت یک کره فرضی به شعاع Rیعنی:
در رادارها از آنتنهاي سمت گرا (جهت دار) استفاده می شود تا توان تشعشعی، P1 در یک جهت خاص هـدایت گـردد. بهـره آنـتن، G، معیـاري از افزایش توان تشعشعی آنتن درجهت هدف نسبت به توان تشعشعی ناشی از یک آنتن ایزوتروپ می باشد و ممکن است بـه صـورت نسـبت حـداکثر شدت تشعشع ناشی از یک آنتن مورد نظر به شدت تشعشع ناشی از آنتن ایزوتروپ بدون تلفات با همان توان ورودي تعریف گردد. (شدت تشعشـع عبارت است از توان تشعشعی در واحدزاویه فضایی در جهت مورد نظر) بنابراین چگالی توان تشعشعی از یک آنتن با بهره G روي هدف برابـر اسـت با:
هدف با مقداري از توان تابش شده تلاقی کرده مجدداًو آن را درجهات مختلف تشعشع می کند مقداري از توان رسیده به هـدف کـه بـا آن تلاقـی کرده و دوباره به سمت رادار تشعشع شده بر حسب سطح مقطع راداري، σ ، مشخص و طبق رابطه زیر تعریف می شود.
در این رابطه که سطح مقطع راداري (σ) واحد سطح دارد، که مشخصه اي از هر هدف خاص بوده و معیاري از اندازه هدف از دید رادار مـی باشـد.
آنتن رادار مقداري از توان بازگشتی از هدف رادریافت میکند. اگر سطح موثر آنتن گیرنده Ae باشد، توان دریافتی توسط رادار برابر است با:
حداکثر برد رادارRmax ، فاصله اي است که بالاتر از آن، هدف قابل آشکارسازي نباشد و آن موقعی است که توان دریافتی رادار درست برابر حـداقل توان قابل آشکارسازي، Smin ، باشد پس:
این شکل اساسی معادله رادار است. توجه گردد که پارامترهاي مهم آنتن در این رابطه، بهره فرستندگی و سطح موثر گیرندگی آن می باشند.
در تئوري آنتنها. رابطه بین بهره فرستندگی و سطح موثر گیرندگی به صورت زیر ارائه می شود.
چون در رادارها معمولا آنتن فرستنده و گیرنده یکی می باشد، با جایگذاري معادله فوق در معادله ما قبلـی آن ابتـدا بـراي Ae معادله رادار را به دو صورت زیر می توان نوشت: و سـپس بـراي G،
این سه صورت معادله رادار فوق ضرورت احتیاطدر تفسیر معادله رادار را نشان می دهند. براي مثال، از معادله (9) ممکن است نتیجه گیـري شـود که براي رادار متناسب با 2 می باشد، در صورتی که معادله (10) وابستگی 2 را مشخص میکند و معادله (7) عدم وابستگی فاصله را نسـبتبه طول موج، نشان میدهد. رابطه صحیح بستگی به این دارد که بهره آنتن نسبت به طول موج ثابت فرض شده است یا نسبت بـه سـطح مـوثر آن. علاوه برآن، اعمال محدودیت هاي دیگر، نظیر ضرورت بررسی دقیقتر یک حجم مشخص از فضا در یک مدت معین می توانـد موجـب وابسـتگی دیگري نسبت به طول موج گردد.
این صورت ساده شده معادله رادار، به طور کافی مشخصات یک رادار عملی را تشریح نمیکند. بسیاري از عوامل مهم کـه در بـرد رادار موثرنـد. بـه طور صریح در معادله هاي منظور نشده اند. در علم حداکثر برد رادار خیلی کمتر از مقدار است که از معادلات بالاتر پیش بینی میشود، بعضی اوقات تا حد نصف می باشد. دلائل زیادي براي این کاهش نسبت به عملکرد واقعی وجود دارد.
رادارهاي پالسی
رادارهاي پالسی مهمترین و پرکاربردترین رادارها در عرصهي جنگ الکترونیک می باشند که از قطار پالسی مدوله شده گیرنده و فرستنده اسـتفاده میکند. مسافت توسط اختلاف بین پالسهاي ارسالی و دریافتی محاسبه می شود.
این رادارها با توجه به دوره تناوب پالس ارسالی داراي تنوع بوده که به مواردي از آنها اشاره می شود:
(1 پالسی معمولی: در این رادارها معمولا عرض پالس در حدود چند میکروثانیه و نسبت زمان کار بین حدود 0/01 تا 0/001 تغییر می کند. از این رادارها جهت هواشناسی و دیده بانی و مراقبت هوایی استفاده می شود.
(2 رادارهاي پالسی با قدرت تفکیک بالا: 15 در این رادارها عرض پالسی بسیار کوچک انتخاب میشود و چون میزان دقت در تشخیص فاصله توسط عرض پالسی مشخص میگردد داراي دقت بالایی در تشخیص فاصله هدف می باشد. (هر قدر عرض پـالس کـوچکتر باشـد محاسـبه فاصـله دقیقتـر است). این رادارها براي آشکارسازي اهداف ساکن در حضور کلاتر (سیگنال هاي برگشتی ناخواسته به صفحه رادار ) و نیز تشـخیص یـک هـدف در میان چند هدف نزدیک به هم قابل استفاده می باشد.
(3 رادار پالس فشرده: 16 این رادار از پالس هاي با عرض زیاد استفاده می نماید و براي افزایش دقت از مدولاسیون فـاز یـا فرکـانس در هـر پـالس استفاده می کند. در نتیجه ضمن افزایش پهناي باند تشخیص دقیق فاصله اهداف نیز حاصل میشود و نسبت به رادار نوع قبلـی داراي ایـن مزیـت است که توان پیک (حداکثر توان ) فرستنده را در حد معتدلی نگاه میدارد.
معادلهي عمومی رنج رادارهاي پالسی بفرم:
می باشد. در این معادله Pt توان سیگنال رادار ارسالی بر حسب وات ، G بهره آنتن فرستنده و گیرنده ، λ طول موج سیگنال رادار بر حسـب متـر ،< سطح مقطع موثر رادار بر حسب متر مربع، K ثابت بولتزمان دماي موثرنویز بر حسب درجه ي کلـوین، B پهناي باندگیرنده، F شکل نویز گیرنده و مینیمم سیگنال به نویز خروجی تعریف می شود.
بلوك دیاگرام اساسی رادار پالسی
بلوك دیاگرام یک رادار پالسی در شکل1 نشان داده شده است. مدار بنیادي رادار شامل قسمتهاي زیر است :
شکل: 1 بلوك دیاگرام رادار پالسی
یک مدار زمان بندي که وقفه تکرار پالس را تعیین کرده و مقدار زمان رسیدن ( (TOA را براي پالس گیرنده و فرستنده اندازه گیري میکند، یک تولید کننده شکل موج که شکل موج را با فرکانس مورد نیاز تولید می کند، یک فرستنده که دامنه لازم براي پالس ار سالی را فراهم میکنـد، یـک دوپلر کننده17 که هم در فروستنده و هم در گیرنده بعنوان یک سوئیچ عمل می کند، آنتن که براي فرستندگی و گیرندگی استفاده می شـود، یـک دریافت کننده که براي دریافت پالسهاي منعکس شده و تقلیل آن به IF به منظور
