Радиолокатор, радиолокационна станция (съкратено РЛС) или радар (акроним от англ. RAdio Detection And Ranging – „радио откриване и определяне на разстояние“) е система, която използва радиовълни с цел откриване и определяне на местоположението на отдалечени обекти. Сложните радарни системи позволяват и определяне на движението, както и свойствата и характеристиките на тези обекти.

Радиолокаторите тайно са разработвани преди и по време на Втората световна война от няколко държави. Терминът „радар“ е използван от Военноморските сили на САЩ през 1940 г.

В съвремието използването на радари е много разнообразно в области като управлението на въздушното движение, радиолокационната астрономия, противовъздушната отбрана, противоракетните системи; морските радари за локализиране на земни навигационни обекти и други кораби; системи за откриване на опасно сближение във въздухоплаването, системи за наблюдение на океана, системи за наблюдение на космическото пространство и системи за сближение, метеорологичната система за наблюдение за валежи, системите за контрол на височината и полета, системите за насочване към целта при управляеми ракети, гео-радарите за геоложки наблюдения и др.

Високотехнологичните радиолокационни системи са свързани с цифровата обработка на сигналите и имат способност за извличане на полезна информация при много високи нива на шума.

Други подобни на радарните системи работят, като използват различни части на електромагнитния спектър. Един такъв пример е лидарът, който ползва по-скоро видимата светлина на лазерите, а не радиовълните.

Устройство и принцип на действие РЛС се състои от следните системи и устройства: Предавателно устройство. Служи за генериране на излъчваната електромагнитна енергия в пространството. Състои се от: – Генератор на електромагнитно лъчение с мощност от десетки kW до мегавати и честота от няколко десетки MHz до гигахерци. Активният елемент може да бъде магнетрон, клистрон, фарова лампа, гън-диоди и др. Ако генерираната мощност е недостатъчна, използва се усилвател на мощност, например амплитрон. – Модулатор – управлява работата на генератора, като определя продължителността, формата и амплитудата на генерираните трептения, например импулси. Може да е предшестван от стъпало за предварителна подготовка на модулацията, наречено подмодулатор. Антенно-фидерно устройство. Фидерния тракт отвежда генерираното лъчение от предавателя в антената, която го излъчва в пространството, и приетия сигнал от антената в приемника. Превключва се към предавателя или приемника електронно от предаваните и приемани сигнали с антенен превключвател (комутатор). Обикновено за метрови вълни се използва симетрична двупроводна линия, за дециметрови – коаксиална, а за сантиметрови – вълноводна линия. Антената най-често е огледална или сложна директорна антена, а може да бъде и друга антенна решетка. Поради въртенето ѝ за извършване на обзор, за предаване на енергията между подвижната и неподвижна част на фидерния тракт се включва високочестотен токоснимач. В по-новите РЛС обзорът се извършва чрез електронно сканиране на диаграмата на насоченост (ДН) и антената е с честотно сканиране или фазирана антенна решетка. Приемно устройство. Използва се суперхетеродинен радиоприемник с единично или двойно преобразуване на честотата. Състои се от входно устройство, високочестотен усилвател, преобразувател на честота (хетеродин и смесител), междинночестотен усилвател, детектор и видеоусилвател. Приемникът има висока чувствителност, за да може да усилва слаби отразени сигнали. Индикаторно устройство. Служи за изобразяване на информацията от приетите сигнали върху екран чрез засветяване. Основен е индикаторът за кръгов обзор с въртяща се развивка като радиус на кръгов дисплей. Синхронното въртене на развивката с антената се осъществява от селсини. Спомагателен е индикаторът за разстояние във вид на контролен осцилограф. В някои РЛС има и индикатор за азимут и разстояние или индикатор за височина. Система за опознаване. Представлява отделен радар за определяне на принадлежността на военни въздушни цели като свои или чужди. В земните РЛС се нарича наземен радиолокационен запитвач (НРЗ), а в самолетите – самолетно отговарящо устройство (СОУ). Запитването става чрез натискане на педал в НРЗ, който излъчва кодиран сигнал. Ако СОУ има същия код го разшифрова и се получава сигнал на изхода на приемника му, който автоматично включва предавателя и той генерира отговарящ сигнал, излъчен обратно. Върху индикатора на запитващата РЛС опознавателният сигнал се появява след ехо-сигнала от целта. Негов вариант е сигналът „бедствие“, който е с по-голяма продължителност и се включва от СОУ без запитване при аварийна ситуация. Захранваща система. Състои се от самостоятелни агрегати, които генерират захранващо напрежение, най-често 230 V 50 Hz или 230 V 425 Hz. Захранват се с бензин или дизелово гориво. В подвижните РЛС във фургон, основният агрегат е на ремарке, а резервният – в отделен отсек на фургона. В неподвижните (стационарни) РЛС най-често се използва мрежово захранване.

Сигналът от изхода на генератора се модулира импулсно и се подава към антена с подвижна ДН, откъдето се излъчва насочен лъч радиовълни. Когато радиовълните стигнат до отдалечения обект, те се отразяват от него във всички посоки, включително и обратно към РЛС. Тъй като се знае накъде е насочена антената, положението на засечения обект може да се определи, като се измери времето, за което сигналът се е върнал. Така се определя отдалечеността, а като се измери промяната в честотата на сигнала, може да се определи и скоростта на движение на обекта посредством доплеров ефект.

Съществуват и РЛС, които не използват собствен предавател. Пасивният радар обикновено не се нуждае от собствен предавател, а използва честотите от районните радиопредаватели.

Основно уравнение на радиолокацията

Мощността на сигнала на входа на приемника P2 се описва чрез следното уравнение:

където P1 е мощността на предавателя G1 – коефициент на усилване на предавателната антена G2 – коефициент на усилване на приемната антена σ – ефективна отразяваща повърхност или коефициент на разсейване на целта R1 – разстояние от предавателя до целта R2 – разстояние от целта до приемника.

Стойността на тази мощност отчита затихването при разпространението в средите: вътрешните загуби в предавателните и приемните пътища на РЛС, загуби при излъчването, загуби поради поглъщане на електромагнитни вълни по време на тяхното разпространение в атмосферата от радара до целта и обратно и загуби от многолъчевост и флуктуация по време на отражение от целта.

В често срещания случай, когато предавателят и приемникът са на едно и също място и използват една и съща антена: R1 = R2 и изразът R1² R2² може да се замени от R4, където R е разстоянието от РЛС до целта, което включва пътя на сигнала между антената и приемо-предавателя; G1 = G2 и G1.G2 = G2. Тогава

Този израз показва, че мощността спада с четвъртата степен на разстоянието, което означава, че приеманата мощност от отдалечени цели е относително слаба. Минималната приемана мощност, която може да обработи приемникът, е неговата чувствителност . Колкото тази мощност е по-малка, значи от по-далеч е приет сигналът и е по-голямо разстоянието. Затова чувствителността определя максималната далечина на действие (разстояние на откриване) на РЛС и от горното уравнение се получава основното уравнение на радиолокацията:

За даден радар параметрите и могат да се считат за постоянни, тъй като техните стойности варират в малки граници. Обаче ефективната отразяваща повърхност се променя доста силно. За практически цели често се приема, че .

Допълнителната филтрация и интегрирането на импулса леко модифицират уравнението за максималното разстояние на откриване при импулсните доплерови РЛС, и този метод се прилага, за да се увеличи това максимално разстояние и за да се намали необходимата мощност на предавателя.Извеждане на радарното уравнение

Процеси и явления Отражение Ако електромагнитните вълни, преминавайки през една среда, срещнат друга, която притежава различни параметри (диелектрична проницаемост, магнитна проницаемост или специфична проводимост), то в общия случай вълните частично ще се отразят и частично ще се пречупят от границата между средите. Това означава, че един твърд предмет във въздуха или във вакуум, или една съществена промяна между обекта и средата, като правило ще разсее радиолокационните вълни от неговата повърхност. Това е вярно в частност за електропроводими материали като метал и въглеродни влакна, което прави радара много подходящ за откриване на самолети и кораби. С цел намаляване на радиолокационното отражение при военните превозни средства се ползват абсорбиращи радиовълните материали, които съдържат резистивни, а понякога и магнитни вещества и керамики. Ефектът е еквивалентен на обект в тъмен цвят, така че да не може да се види от окото през нощта.

Вълните на радара се разсейват по различни начини в зависимост от размера (дължина на вълната) на радиовълните и от формата на целта. Ако дължината на вълната е много по-къса от размера на целта, то вълната ще се отрази от нея по начин, подобен на начина, по който светлината се отразява от огледало. Ако дължината на вълната е по-дълга от размера на целта, то целта може и да не се вижда поради лошото отражение. При нискочестотните радиолокатори технологията е зависима от резонансите при откриване, но не и при идентифициране на целите. Това се описва от Релеевото разсейване, ефектът, поради който небето на Земята е синьо и червено при залезите. Когато дължините на двата мащаба са съизмерими, може да има резонанси. Първите РЛС са ползвали много дълги вълни, които са били по-големи от размерите на целите, и по тази причина се получавал неясен сигнал, докато при някои от съвременните системи се ползват по-къси дължини на вълните (няколко сантиметра или по-малко), при което могат да се изобразят обекти с размерите на хляб например.

Късите радиовълни се отразяват от криви и от ъгли по начин, сходен с блясък от заоблено парче стъкло. При къси дължини на вълните най-силно отразяват тези обекти, които имат ъгли 90° между отразяващите повърхности. Един ъглов отражател се състои от три плоски повърхности, които са разположени като при вътрешния ъгъл на кутия. Тази конструкция ще отразява вълните, влизащи в нея, директно обратно към източника. Обикновено те се използват като радиолокационни отражатели, които да направят по-лесни за откриване обекти, които иначе са трудно видими от радар.

Ефект на Доплер

При движение на целта се наблюдава отместване на честотата поради изменение на броя дължини на вълните между нея и радиолокатора. Това може да влоши или да подобри ефективността на работата на радиолокатора, в зависимост от това как ще повлияе на процеса на откриване. Например РЛС със система за следене на движещи се цели може да отчете ефекта на Доплер чрез сигнал за компенсиране (отхвърляне) на определени радиални скорости, което намалява ефективността. Радиолокационните системи с морско базиране, полуактивните системи за насочване, метеорологичният радар, военните въздухоплавателни средства и радарната астрономия разчитат на Доплеровия ефект за повишаване на ефективността. Той дава информация за скоростта на целта по време на процеса на откриване. Също така позволява да бъдат откривани малки обекти в среда, съдържаща близко разположени много по-големи и бавно движещи се обекти.

Доплеровото честотно отместване се нарича още Доплерова честота и зависи от това дали конфигурацията на РЛС е активна или пасивна. Активният радиолокатор предава сигнал, който се отразява обратно към приемника. Пасивният радиолокатор зависи от изпращания от целта сигнал към приемника и се прилага в електронната война и радиоастрономията.

Доплеровата честота за активния радиолокатор е ,

където е честотата на предаване, е радиалната скорост, и е скоростта на светлината.M. Castelaz, „Exploration: The Doppler Effect“, Pisgah Astronomical Research Institute