Temeljna postavka svakog radarskog uređaja je sposobnost za otkrivanje (detekciju) objekta, a zatim sposobnost mjerenja njegove udaljenosti i određivanje položaja. Idejno rješenje takvog uređaja prethodilo je njegovom praktičnom ostvarenju i pojavilo se prije nego što je radioelektronika stvorila materijalne uvjete i elemente za konstrukciju takvih uređaja

Riječ radar predstavlja prvoslovnicu od engleske kratice RAdio Detection And Ranging, što bi se moglo prevesti kao otkrivanje ciljeva i mjerenje udaljenosti elektromagnetskim valovima ili kao elektronički uređaj za otkrivanje objekata (ciljeva) na kopnu, moru i u zraku. Elektromagnetski val se, kao što sama riječ kaže, sastoji od elektro (E) i magnetske (B) komponente koje se prikazuju sinusoidno pod kutem od 90 stupnjeva. Prema tome, elektromagnetski val posjeduje energiju koja se satoji od komponenti električne i magnetske energije. Dio energije elektromagnetskih valova koje emitira predajnik radara reflektira se od objekta (cilja) na sve strane. Neznatni dio te reflektirane energije prima i registrira osjetljivi radarski prijamnik. Na temelju pravca iz kojeg elektromagnetski valovi dolaze, moguće je odrediti polarne koordinate cilja-pravac (azimut) i kut (elevaciju). Udaljenost od radara do cilja se određuje preko proteklog vremena od trenutka emitiranja impulsa elektromagnetskog vala do povratka reflektiranog vala (u impulsnoj tehnici) ili preko razlike frekvencije emitiranog i reflektiranog elektromagnetskog vala (kada je zračenje neprekidno i periodično te promjenjive frekvencije). U radarskim sustavima rabe se elektromagnetsk i valovi različitih opsega i to od vrlo kratkih do ekstremno kratkih valova (opseg u metrima, decimetrima, centimetrima i milimetrima), tj. razni opsezi u frekvencijskom području od 100 do 300000 MHz. Valovi veće valne duljine su manje podložni apsorpciji u atmosferi, a valovi kraće valne duljine bolje ispunjavaju prostor iznad Zemlje i zahtijevaju antene manjih dimenzija.

Povijesni razvoj radara

Temeljna postavka svakog radarskog uređaja je sposobnost za otkrivanje (detekciju) objekta, a zatim sposobnost mjerenja njegove udaljenosti i određivanje položaja. Idejno rješenje takvog uređaja prethodilo je njegovom praktičnom ostvarenju i pojavilo se prije nego što je radioelektronika stvorila materijalne uvjete i elemente za konstrukciju takvih uređaja.
Razvoj radara do I. svjetskog rata i nakon njega. Prvu ideju i patent za detekciju objekata pomoću radiovalova dao je 1904.g. njemački inženjer C. Hilsmeyer i odnosila se na mogućnost bolje navigacije brodova pri smanjenoj vidljivosti. Nikola Tesla 1917. daje opis radarskog sustava za otkrivanje podmornica, u kojem daje najvažnije dijelove uređaja i precizira kako se mora raditi s vrlo kratkim valnim dužinama i u impulsnom režimu, što je kasnije potvrđeno pri uporabi radara. Daljnje proučavanje ultrakratkih valova i razvoj elektroničkih elemenata doveli su do prvog uređaja sa svim osnovnim elementima radara. To je bio uređaj za ispitivanje ionosferskih slojeva koji su 1925. uspješno konstruirali američki znanstvenici G. Breit i M. A. Tuve. Od 1930. u svim velikim zemljama radi se na praktičnom rješenju radara jer je vodećim fizičarima i radiotehničarima bila jasna mogućnost samostalne detekcije radiovalovima, a uz postojanje radiotehnike. Budući da se pokazalo kako je radar nužan za vojnu namjenu, sve zemlje su izdvajale znatna financijska sredstva za istraživanje i razvoj radarske tehnike te su rezultati takvih istraživanja čuvani u visokoj tajnosti.

Razvoj radara u II. svjetskom ratu i poslije

Početkom II. svjetskog rata nekoliko država je u svom naoružanju imalo radare pogodne za otkrivanje aviona i primjenjive za potrebe PZO. Ti radari nisu bili usavršeni i njihov broj nije bio dovoljan za učinkovito vođenje operacija zaraćenih zemalja. Međutim, već tada je dokazana njihova vrijednost za vojne potrebe te je postojalo razumijevanje za angažiranjem velikih materijalnih sredstava za njihovo daljnje istraživanje, razvoj i proizvodnju usavršenih i novih vrsta radara. U SAD-u je postignut najveći uspjeh u razvoju radarske tehnike kako u pogledu kvalitete tehnologije izrade, tako i po količini opreme. Potkraj 1940. konstruiran je snažni radar za istraživanje i razvoj prototipova radara pod nazivom Radiation Laboratory pri Massachusetts Institute of Technology, koji je u početku imao 40 članova, a 1945. je dostigao broj od 400 zaposlenih. Jedan od temeljnih uspjeha bilo je daljnje usavršavanje rezonantnog magnetrona, dobijenog od stručnjaka iz Velike Britanije, čime je omogućeno iskorištavanje valova kraćih valnih dužina u odnosu na valove s velikom valnom dužinom.
Do kraja II. svjetskog rata razvijen je veliki broj radara za razne nemjene te nakon II. svjetskog rata radarska tehnika više nije čuvana isključivo kao vojna tajna te na istoj problematici počinju raditi mnoge druge manje zemlje. Tako se ubrzo kao proizvođači usavršenih radara javljaju: Švedska, Švicarska, Nizozemska, Italija, tadašnja Čehoslovačka itd.
Od 1950. počinje nova faza u razvoju radara, potaknuta vojnim potrebama i razvojem novih tehničkih dostignuća. Vođenje, otkrivanje i praćenje raketa i satelita može se učinkovito riješiti samo radarom. Zato je povećan domet promatračkih radara za objekte izvan atmosfere i konstruiran je ciljnički radar za precizno praćenje brzih satelita na velikim udaljenostima koji imaju male refleksne površine. Dostignuća na području elektronike su omogućila usavršavanje radarske tehnike. Konstruirane su snažne predajne cijevi slične magnetronu (amplitron i platinotron) i snažni klistropi i karcinotroni i druge poluvodičke komponente.

Kao primjer vrhunskog dostignuća moderne radarske teorije i tehnike, može se smatrati radar sa sintetičkim radijatorom (synthetic aperture radar ili side looking radar). Takav radar se treba kretati relativno bočno prema cilju, raditi impulsno, ali se pritom primljeni impulsi dovode u memoriju i zajednički analiziraju u ograničenom nizu. Rezultat takve vrlo komplicirane obrade podataka daje konstantnu snagu i kvalitetu razlaganja neovisno o dometu, što nije slučaj na nijednom drugom radarskom sustavu. Relativno kretanje radarske antene daje prividno veliko povećanje površine antene, odnosno mogućnost fokusiranja objekta u snopu radara. Isto tako, moderna radarska tehnika je dostigla novu višu razinu u uporabi laserskog zračenja, tj. laserskog radara.

Osnovni dijelovi i princip rada radara

Radarski uređaj se sastoji, ovisno o vrsti i namjeni, od manjeg ili većeg broja cjelina (blokova) koji predstavljaju autonomne elektroničke aparate, a funkcioniraju kao jedinstveni složeni sustav. Osnovni dijelovi svakog radara su: antenski sustav, predajnik, prijamnik i prikaznik.
Antenski sustav. Svaki radar ima barem jednu antenu koja je sposobna odašiljati i primati elektromagnetske valove. Usmjerenost antene pokazuje njezin dijagram zračenja. Zračenje je najjače u smjeru osi reflektora, a cjelokupni intenzitet zračenja je suma pojedinih zračenja iz svih smjerova koji zatvaraju kut širine snopa. Snop zračenih elektromagnetskih valova ima oblik konusa ili lepeze, čiji se vrh nalazi u anteni. Kako bi se objekt detektirao radarom, treba se “naći” u snopu elektromagnetskih valova. Zbog najjačeg zračenja u smjeru osi snopa antene, objekt će biti najjače ozračen kada se nalazi na toj osi te će i reflektirani val od njega u tom slučaju biti najjačeg intenziteta. To je temeljna značajka za mjerenje kutova pod kojima se objekt vidi u prostoru. Mjerenje udaljenosti do objekta može se obaviti impulsnim i modulacijskim radarom.

Antenski sustav se sastoji od visokousmjerene antene čiji je reflektor paraboličnog ili drugog oblika, a izvor zračenja (radijator ili emiter) je predstavljen jednostavnom antenom. Antena i njezin snop valova se okreću u jednoj ravnini ili periodično u području prostora, preko mehanizma za pokretanje antene. Na nekim vrstama radara, npr. na ciljničkom radaru, snop se može zaustaviti na otkrivenom objektu po želji operatora ili automatski. Oblik antenskog snopa ovisi o namjeni radara, a tip antenskog sustava uglavnom o obliku snopa. Osim paraboličnog reflektora (kružnog ili pravokutnog oblika), rabe se i ravni, složeni i linearni reflektori (za valove s malom valnom duljinom izrađuju se antene od dielektričnih i metalnih leća). Pokretanje snopa u prostoru ne mora se izvoditi pokretanjem cijelog antenskog sustava jer je na većini antenskih sustava omogućeno elektroničko pretraživanje, koje se izvodi programiranim mijenjanjem faze napajanja pojedinih radijatora u antenskom sustavu. Radarske antene zrače primarni (glavni), tj. željeni snop elektromagnetskih valova, ali i neizbježne bočne snopove u raznim smjerovima pa čak i unatrag. Ta zračenja su vrlo štetna u otkrivanju ciljeva i mjerenju njihovog položaja pa se moraju svesti na najmanju mjeru prilikom konstrukcije antenskog sustava.

Predajnik. Radarski predajnik proizvodi elekrične oscilacije, potrebne frekvencije i snage, kojima se antena napaja radi pretvaranja u elektromagnetske valove i zračenja. Osnovni dio predajnika predstavlja oscilator.
Prijamnik. Radarski prijamnik prima, pojačava i izdvaja signale koji dolaze reflektiranim valovima, kako bi se mogli prikazati na prikazniku. Priključuje se na radarsku antenu preko predajno-prijamne skretnice ili neposredno ako postoji posebna prijamna antena. O kvaliteti prijamnika ovise glavne performanse radara, zbog čega se prijamnik konstruira za optimalni rad i održava u najboljem tehničkom stanju. Glavni parametri prijamnika su: faktor šuma, osjetljivost (ili prag osjetljivosti), selektivnost (ili propusni pojas) i ukupno pojačanje. Radarski prijamnici su najčešće superheterodinskog tipa, s mješačem, oscilatorom, međufrekvencijskim pojačalom, detektorom i videopojačalom kao glavnim stupnjevima.
Pored superheterodinskih, rabe se prijamnici s direktnim pojačanjem, koji se sastoje od detektora-demodulatora i videopojačala. Uporabljivi su za jednostavnije radare manjeg dometa. Superregenerativni prijemnici rade na principu periodičnog osciliranja ulaznog stupnja na radnoj frekvenciji, čime se postiže visoka osjetljivost s malo stupnjeva pojačala, a rabe se u prijenosnim radarima.

Prikaznik. Prikaznik je komponenta cjelokupnog radarskog sustava čija je namjena izlazne podatke učiniti pristupačnim, tj. učiniti ih vidljivim ili čujnim. Njegov osnovni dio je katodna cijev (CRT-Cathode Ray Tube), a u zadnje vrijeme sve se češće rabi prikaznik s tekućim kristalom (LCD-Liquid Crystal Display).
Performanse radara
Radarom se mogu mjeriti razni parametri cilja pa se performanse određenog radara odnose na one parametre za koje je predviđen. Može se smatrati da su dvije performanse temeljne značajke svakog radara: domet i svojstvo razlaganja ciljeva.
Domet radara. Predstavlja jednu od najvažnijih tehničkih osobina jer se prema efektivnom dometu u najviše slučajeva ocjenjuje učinkovitost radara kao cjeline. Pod dometom se podrazumijeva najveća udaljenost pri kojoj se na radarskom prikazniku može primijetiti određeni objekt, što ovisi o svojstvima radara (predajna snaga, broj i širina impulsa koji dospijevaju na objekt, osjetljivost prijemnika), refleksne površine objekta, svojstvima površine tla iznad kojeg se objekt nalazi i stanju atmosfere. Ako se zanemari utjecaj zemlje i atmosfere i pretpostavi direktna vidljivost između radara i cilja, domet (D [m]) se može izraziti tzv. radarskom jednadžbom:

gdje je:
P – predajna snaga radara [W]
A – efektivna površina radarske antene [m2]
λ- valna duljina dužina na kojoj radar radi [m]
α- efektivna refleksna površina objekta [m2]
β – snaga na pragu osjetljivosti prijemnika [W]

Površina zemlje ima znatni utjecaj na domet radara kada se valovi šire blizu njezine površine, tj. u situaciji prizemnih valova. Domet radara se mijenja i ovisno o mjesnom kutu objekta. Taj se utjecaj izražava dijagramom zahvata. Teoretski, polje zahvata radara se deformira u niz “listova” (“lepeza”) na dijagramu; u nekim smjerovima je domet udvostručen, a u drugima je sveden na nulu. Zbog nehomogenosti i neravnina (hrapavosti) zemljine površine, stvarni dijagram pokazuje blaže varijacije dometa. Zemljina atmosfera može znatno utjecati na domet radara apsorpcijom (upijanjem), refrakcijom (lomom) i refleksijom (odbijanjem) valova. Ovaj utjecaj je utoliko veći ukoliko je valna dužina kraća i ukoliko zrak sadrži više vodene pare i kapljica kiše, a ovisi i o rasporedu zračnih slojeva različitih temperatura.

Svojstvo razlaganja ciljeva. To je druga osnovna karakteristika radara koja se odnosi na dva ili više istodobnih ciljeva. Ona predstavlja minimalnu granicu izvan koje se još uvijek mogu razlučiti ciljevi kao posebni i kao takvi analizirati. Budući da je svaki cilj karakteriziran s više parametara i svojstvo razlaganja ciljeva se može specificirati na pojedine parametre: razlaganje po udaljenosti, po kutevima, po brzini itd. Svojstvo razlaganja je pojam različit od točnosti mjerenja nekog parametra, a vezana je za šum, smetnje i interferenciju raznih odraza u radarskom signalu.
U konstrukciji radara javljaju se proturječni zahtjevi u vezi s dvjema navedenim osnovnim karakteristikama. Što veći domet zahtijeva zračenje širokog spektra frekvencija (kratki impulsi), što veće snage zračenja i što niže impulsne frekvencije.

Vrste radara

Tehničkim usavršavanjem i prilagođavanjem specifičnim potrebama općeg i vojnog karaktera, razvijeni su radarski uređaji za različite namjene. Razlikuju se po principu rada, valnom opsegu, izlaznoj snazi, ostvarenom korisnom dometu, konstruktivnim osobinama (dimenzije, pokretljivost, dodatni uređaji), mogućnostima prikazivanja podataka i po namjeni. Za vojne svrhe je najpogodnija podjela po principu rada i taktičkoj namjeni.

Podjela radara po principu rada se zasniva na podjeli po dvije osnovne metode rada: impulsni radari i radari s neprekidnim zračenjem.

Impulsni radari zrače kroz antenu kratke visokofrekventne impulse u trajanju od 0,1 do 20 ns, u razmacima 1/100 do 1/2000 s. Svaki poslani impuls radiovala sliči na projektil širine snopa antene, a dužine onoliko puta po 300 m koliko je mikrosekundi trajala njegova emisija. Između emisija dva uzastopna impulsa radarski predajnik ne radi, a uključen je radarski prijamnik. Za to vrijeme poslani impuls se giba prema objektu, stiže do njega te se dio energije impulsa reflektira od njega. Ta reflektirana energija se vraća djelomično prema anteni u obliku reflektiranog impulsa i stiže za jednako vrijeme u antenu. Mjerenje udaljenosti objekta se svodi na mjerenje vremena od odlaska poslanog do dolaska reflektiranog impulsa. Kako je brzina širenja, tj. gibanja radiovala 300 m/ns, a impulsi su prešli dvostruku udaljenost do objekta, udaljenost D se određuje po izrazu D=150*t (t je vrijeme od emisije do povratka impulsa u ns). Mjerenje tog vremena i njegovo pretvaranje u udaljenost obavlja se u radarskom prikazniku. Radari s neprekidnim zračenjem se odlikuju stalnim zračenjem elektromagnetske energije (elektromagnetskih valova) i stalnim prijamom reflektiranog zračenja od objekta (cilja). Kako bi se izbjegao utjecaj predajnog snopa na prijamni signal, predajna i prijemna antena su često posebne jedinice, na dovoljnoj međusobnoj udaljenosti. Važna karakteristika tih radara je razlikovanje pokretnih od nepokretnih ciljeva, tj. mogu mjeriti brzinu pokretnih ciljeva. To je omogućeno primjenom Dopplerovog efekta.

Dopplerov efekt

Dopplerov efekt je pojava da reflektirani valovi mijenjaju frekvenciju ako postoji gibanje reflektiranog objekta (površine) u odnosu na smjer valova. Kraće rečeno, promjena frekvencije nastaje pri relativnom gibanju izvora zračenja (radar) i reflektora (objekt, tj. cilj). Dopplerova frekvencija, tj. promjena frekvencije fd dane je jednadžbom:
gdje je,

v – relativna brzina cilja
f – frekvencija zračenja
c – brzina valova.

Pri približavanju reflektora, dopplerova frekvencija je pozitivna, a pri udaljavanju negativna. Prema tome, elektromagnetski valovi radara koji se šire brzinom svjetlosti od 300000 km/s, dopplerska frekvencija je mjerljiva već pri nižim brzinama, npr. pri brzini od 10 m/s i radarskoj frekvenciji 3 GHz dopplerska frekvencija iznosi 200 Hz. Pogodnom obradom prijemnog signala i izdvajanjem doplerske frekvencije može se neprekidno i trenutno pročitati brzina pokretnog cilja. Što je cilj brži i što je viša radna frekvencija, dobiva se i viša dopplerova frekvencija i točnije mjerenje brzine.

Modulacijski efekt
Modulacijski efekt ili modulacija predstavlja proizvodnju određene promjene amplitude, frekvencije ili oblika i položaja impulsa zračenih elektromagnetskih valova. Svaki oblik modulacije predstavlja novu periodičnu vremensku funkciju čija je frekvencija mnogo niža od zračene noseće frekvencije, a naziva se modulacijska frekvencija. Najčešće korištene modulacije na radarima su frekvencijska, fazna, pozicijsko-impulsna i kodna. Modulacijom radarskih valova postiže se veliko povećanje sadržaja informacija koje donosi odbijeni (reflektirani) signal od objekta.

Podjela radara po taktičkoj namjeni

S obzirom na taktičku namjenu, radari se dijele na: promatračke, ciljničke (ili prateće) i posebne.
Promatrački radari služe ponajprije za pravodobno otkrivanje ciljeva u određenom prostoru u granicama svog dometa i načina pretraživanja, dajući time mogućnost obrani da na vrijeme stupi u djelovanje ili da napad počne u odgovarajućem pogodnom trenutku. Određeni promatrački radari promatraju samo određeno područje prostora pa se pretraživanje izvodi od jednog do drugog kraja područja (avionski radar u nosu aviona). Postoje i trodimenzionalni promatrački radari koji sa zemlje ili broda mogu u svakom trenutku odrediti tri koordinate aviona: azimut, udaljenost i visinu. Ciljnički (prateći) radar služi za točno određivanje parametarskih koordinata (azimut, mjesni kut, udaljenost, a često i brzina) cilja koji se nalazi u dometu projektila. Dobiveni podaci se obično automatski uvode u računala, a elementi prenose na oružja koja na temelju njih i drugih podataka izvode gađanja. Radari posebne namjene su prilagođeni za pružanje jednog ili više podataka koji ne mogu osigurati radarske stanice obuhvaćene radarskim mrežama. Tako postoje navigacijski radari, radari za instrumentalno slijetanje, lučki radari, meteorološki radari, geodetski radari itd.

Danijel VUKOVIĆ