ระบบเรดาห์

ระบบเรดาห์
      เป็นระบบที่ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเครื่องมือในการระบุระยะ (range) , ความสูง (altitude) รวมถึงทิศทางหรือความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ เดิมทีตั้งแต่ปี ค.ศ. 1941 คำว่า "เรดาร์" ในภาษาอังกฤษสะกดด้วยอักษรตัวพิมพ์ใหญ่ คือ RADAR และย่อมาจากคำว่า Radio Detection and Ranging อย่างไรก็ตามในระยะหลัง คำนี้ได้กลายเป็นคำทั่วไปในภาษาอังกฤษ เราจึงพบเห็นการสะกดด้วยตัวพิมพ์เล็กแทน สำหรับในสหราชอาณาจักร คำว่าเรดาร์ แต่เดิมถูกเรียกว่า RDF (Radio Direction Finder)

วิวัฒนาการ

     ประวัติศาสตร์ของเรดาร์สามารถกล่าวย้อนไปตั้งแต่สมัยแรกเริ่มค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปี ค.ศ. 1886 Heinrich Hertz ได้สาธิตคุณสมบัติการสะท้อนของคลื่นวิทยุ ในปี ในปี ค.ศ. 1904 วิศวกรชาวเยอรมัน Hülsmeyer ประสบความสำเร็จในการทดลองตรวจจับเรือที่อยู่ทามกลางหมอกทึบได้สำเร็จ อย่างไรก็ตามเขายังไม่สามารถระบุตำแหน่งของเรือได้ ต่อมาค.ศ. 1917 นิโคลา เทสลาได้อธิบายหลักการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการตรวจจับและวัดความเร็วของวัตถ ในปี ค.ศ. 1922 Albert H. Taylorและ Leo C. Young แห่ง U.S.Naval Research Laboratory (NRL) สาธิตการตรวจจับตำแหน่งของเรือโดยใช้เรดาร์ และต่อมาในปี ค.ศ. 1930 Lawrence A. Hyland แห่งห้องทดลอง NRL เช่นกัน เป็นคนแรกที่สามารถตรวจจับเครื่องบิน(โดยบังเอิญ) โดยใช้เรดาร์ได้สำเร็จ จากความสำเร็จนี้ส่งผลให้มีการจดสิทธิบัตรเรดาร์ชนิด Continuous Wave (CW) ในปี ค.ศ. 1934
       วิวัฒนาการของเรดาร์ได้ก้าวไปอย่างรวดเร็วในช่วงกลางยุค 1930 มีการพัฒนาทั้งในสหรัฐอเมริกา บริเตนใหญ่ ฝรั่งเศส เยอรมนี รัสเซีย อิตาลี และญี่ปุ่น ในสหรัฐอเมริกา R.M.Page แห่งห้องทดลอง NRL สามารถพัฒนาเรดาร์แบบใหม่ที่เรียกว่า Pulsed radar ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1936 ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1938 เรดาร์ถูกเริ่มนำมาใช้ในการรบเป็นครั้งแรกใน SCR-268 ซึ่งเป็นระบบดักจับและทำลายเครื่องบินรบ (antiaircraft fire control system) และในปี ค.ศ. 1939 ระบบเรดาร์ SCR-270 ก็ถูกพัฒนาขึ้นสำหรับเป็นระบบเตือนภัยล่วงหน้า (early warning system) ระบบ SCR-270 เป็นที่รู้จักในนาม Pearl Harbor Radar เนื่องจากเรดาร์สามารถตรวจจับผู้บุกรุกได้ล่วงหน้า 30 นาทีแต่จากความผิดพลาดของผู้ปฏิบัติการทำให้เพิกเฉยต่อการเตือนของเรดาร์จนทำให้เกิดโศกนาฏกรรม Pearl Harbor ในที่สุด
       ในส่วนของบริเตนใหญ่ เนื่องจากในช่วงนั้นถูกกดดันจากข่าวลือว่าเยอรมนีกำลังพัฒนาอาวุธใหม่ที่เรียกว่า death ray แม้ว่าท้ายที่สุดแล้วจะพบว่าอาวุธดังกล่าวไม่มีทางเป็นไปได้ แต่แรงกระตุ้นดังกล่าวทำให้นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Robert Watson-Watt สามารถคิดค้น Pulsed radar ได้สำเร็จและในปี ค.ศ. 1938 ถูกนำมาใช้ในระบบ Home Chain สำหรับป้องกันการโจมตีจากระยะไกล โดยระบบนี้ถูกใช้จนกระทั่งจบสงครามโลกครั้งที่ 2
       ระบบเรดาร์ในช่วงก่อนปี ค.ศ. 1940 ใช้ความถี่ในย่าน HF และ VHF เป็นหลัก ต่อมาในปี ค.ศ. 1940 จากการที่อังกฤษและสหรัฐอเมริกาแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีทางด้านเรดาร์ต่อกันทำให้มีการพัฒนาเรดาร์ที่ทำงานที่ความถี่ย่านไมโครเวฟได้สำเร็จ สำหรับประเทศอื่นๆ ที่มีการพัฒนาด้านเรดาร์เช่น ฝรั่งเศส และรัสเซียในช่วงนั้นก็ต้องชะงักเมื่อถูกรุกรานจากเยอรมนี สำหรับญี่ปุ่น การพัฒนาเทคโนโลยีด้านเรดาร์ในช่วงนั้นเป็นผลพวงจากการที่ญี่ปุ่นสามารถยึดเรดาร์ของสหรัฐได้ที่ฟิลิปปินส์ และการแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีกับเยอรมนี ในตอนท้ายของสงครามโลกครั้งที่ 2 เทคโนโลยีเรดาร์ที่เป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางในแง่ของประสิทธิภาพจึงเป็นเรดาร์ที่ทำงานที่ย่านความถี่ไมโครเวฟและเป็นแบบ pulsed radar              ในยุคแรกๆ วิวัฒนาการเรดาร์ขับเคลื่อนไปอย่างรวดเร็วเนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญทางการทหาร แต่ในปัจจุบัน เรดาร์ถูกนำมาใช้งานในชีวิตประจำวันมากขึ้น ได้แก่เรดาร์จับความเร็วรถยนต์ของตำรวจเพื่อตรวจจับผู้ขับขี่ที่ขับรถเร็วเกินตามที่กฎหมายกำหนด การวัดความเร็วลูกเบสบอลหรือเทนนิสในการแข่งขันกีฬา การใช้เรดาร์ในการพยากรณ์อากาศ ใช้นำทางเครื่องบินโดยสาร ใช้เป็นระบบเตือนการชนสิ่งกีดขวางของรถยนต์ ใช้ในระบบดาวเทียมเพื่อสร้างภาพถ่ายทางอากาศที่แสดงสภาวะของโลก เช่นสภาพป่า น้ำ มลภาวะ หรือการใช้ที่ดิน เป็นต้น

  คุณสมบัติของคลื่น RADAR

       เรดาร์ทำงานในย่านความถี่วิทยุของ EM Spectrum โดยจะครอบคลุมความถี่ High Frequency (HF) จนถึง Extremely High Frequency (EHF) ตามรูป

รูป ๖ EM Spectrum

คลื่นเรดาร์นั้นมีคุณสมบัติต่าง ๆ เช่นเดียวกับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั่ว ๆ ไป กล่าวคือ

๑. คลื่นเรดาร์ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา โดยที่สนามทั้งสองตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่นที่ของคลื่น รวมทั้งมีความถี่ที่เท่ากัน

๒. เดินทางด้วยความเร็วแสง 3 x 108 ms-1

๓. เส้นทางเดินทางเป็นเส้นตรง

๔. มีคุณสมบัติ Polarisation โดยอ้างอิงกับสนามไฟฟ้าของคลื่นเป็นสำคัญ

๕. พลังงานของเรดาร์สามารถอธิบายโดยอยู่ในรูป ความถี่ ความยาวคลื่น Polarisation และ Phase

นอกจากนี้พลังงานของเรดาร์ยังมีคุณลักษณะของการแพร่ดังนี้

๑. การลดทอน (Attenuation) หมายถึงการสูญเสียพลังงานของสัญญาณในระหว่างการแพร่กระจายจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ซึ่งมีสาเหตุเกิดจากการดูดซับพลังงานจากบรรยากาศโลก และการกระจัดกระจายของคลื่นที่ชนกับอนุภาคในบรรยากาศ หรือตัวกลางที่คลื่นส่งผ่าน

การดูดซับของบรรยากาศ (Atmospheric Absorption)

เนื่องจากบรรยากาศโลกประกอบไปด้วยก๊าซต่าง ๆ ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานของเรดาร์ในปริมาณที่ต่างกัน แต่มี ๒ องค์ประกอบหลักในบรรยากาศที่สามารถดูดซับพลังงานจากคลื่นเรดาร์และเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนได้เป็นจำนวนมาก คือ ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน ซึ่งการดูดซับนี้จากเปลี่ยนแปลงตามชั้นความสูงของบรรยากาศอีกด้วย

รูป ๗ ปริมาณการดูดซับพลังงานใน EM Spectrum ในชั้นบรรยากาศ

      บรรยากาศโลกทำหน้าที่เสมือนฉนวนกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากภายนอกให้ลดลง และสอดคล้องกับการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลก โดยย่านความถี่ส่วนใหญ่ที่สามารถทะลุชั้นบรรยากาศเข้ามาคือ คลื่นวิทยุ (Radio Wave) และแสง (Visible Light)

สำหรับคลื่นที่อยู่ในย่านความถี่ Infrared (IR) และUltraviolet (UV) จะถูกลดทอนจากชั้นบรรยากาศเป็นบางส่วน

จะเกิดช่วงความถี่ที่เป็นหน้าต่าง (Windows) สำหรับการแพร่คลื่นเพื่อใช้ในการสงครามอิเล็กทรอนิกส์ โดยมีช่วงหน้าต่างที่สำคัญ ๓ ช่วงคือ 0 – 20 GHz, 34 – 40 GHz และ 90 – 100 ที่นำมาใช้ในระบบเรดาร์

รูป ๘ การเปรียบเทียบการผ่านของพลังงานกับความยาวคลื่น

       สำหรับการดูดซับพลังงานของคลื่นแต่ละความถี่ที่ได้รับผลกระทบจากส่วนประกอบต่าง ๆ ในชั้นบรรยากาศนั้นมีปริมาณไม่เท่ากัน แต่สิ่งที่เป็นปัจจัยหลักต่อการดูดซับพลังงานคือ คาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน และ ไอน้ำ

รูป ๙ องค์ประกอบของบรรยากาศที่มีผลต่อการดูดซับ

การกระจัดกระจายในบรรยากาศ (Atmospheric Scattering)

       นอกจากในชั้นบรรยากาศจะประกอบด้วยก๊าซต่าง ๆ แล้วยังประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่ลอยอยู่ในอากาศด้วย ซึ่งอนุภาคเหล่านี้จะทำให้เกิดการกระจายของพลังงานคลื่นที่มาตกกระทบ โดยขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคและความยาวคลื่น อนุภาคสำคัญที่มีผลต่อการกระจายของคลื่นเรดาร์คือ หยดฝน และลูกเห็บ จะส่งผลให้ลดประสิทธิภาพในการตรวจจับอากาศยาน และสภาพอากาศในขณะเกิดฝนฟ้าคะนอง โดยปริมาณนำฝนจะแปรผันตรงกับระดับของการลดทอนของพลังงานที่เกิดจากการกระจัดกระจายในบรรยากาศ รวมทั้งความถี่ของคลื่นจะแปรผันกับการลดทอนจากความถี่ 3 GHz จนถึงความถี่ 100 GHz

รูป ๑๐ การเปรียบเทียบการลอดทอนของคลื่นเรดาร์กับความถี่และปริมาณน้ำฝน

การสะท้อน (Reflection)

       การสะท้อนเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของคลื่นเรดาร์ เนื่องจากการตรวจจับเป้าหมายต้องอาศัยคลื่นที่สะท้อนจากเป้าหมายนั้น ๆ กลับเข้ามาในภาครับ (Receiver) เพื่อใช้ในการประมวลผล พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะท้อนจากวัตถุที่มีความหนาแน่นต่างจากสื่อกลาง หรือบรรยากาศจะสามารถประมวลผลมาเป็น ตำแหน่ง ระยะห่างและความเร็วได้ การสะท้อนของเรดาร์มี ๒ ลักษณะ คือ

การสะท้อนที่สมบูรณ์ (Specular Reflection) กับการสะท้อนที่ไม่สมบูรณ์ (Diffuse หรือ Scattering Reflection)

รูป ๑๑ การสะท้อนของพลังงาน หรือคลื่น

การสะท้อนที่สมบูรณ์ (Specular Reflection)
       เป็นการสะท้อนคลื่นที่เกิดเมื่อพลังงานกระทบกับวัตถุที่มีผิวเรียบเหมือนกระจกจะทำให้เกิดมุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ ซึ่งจะมีปัจจัย ๓ ประการคือ
๑. มุมตกกระทบของพลังงานที่พุ่งเข้าสู่พื้นผิว
๒. วัสดุของผิววัตถุ โดยพื้นผิวที่เป็นโลหะจะสะท้อนได้ดีต่อพลังงานหรือคลื่นในทุกความถี่ แต่สำหรับวัสดุจำพวกคาร์บอน ไฟเบอร์จะสะท้อนพลังงานออกมาน้อยมาก
๓. ทิศทางของคลื่น (Polarisation) จะมีผลต่อการตรวจจับทางทะเลโดยเรือ เมื่อมีมุมตกกระทบต่ำ ๆ หากใช้ทิศทางของคลื่นตามแนวนอน (Horizontal Polarisation) จะทำให้เกิดการกระท้อนกลับน้อย ทำให้ได้รับสัญญาณที่ต้องการน้อย ในขณะทิศทางของคลื่นจะไม่มีผลกระทบมากนั้นหากใช้บนพื้นดิน ดังนั้นเรดาร์พื้นน้ำจะใช้คลื่นทิศทางตามแนวตั้ง (Vertical Polarisation)

รูป ๑๒ Sea Surveillance RADAR

การสะท้อนที่ไม่สมบูรณ์ (Diffuse หรือ Scattering Reflection)
       เป็นการสะท้อนที่เกิดจากวัตถุทั่วไปที่มีพื้นผิวไม่เรียบ หรือมีรูปทรงประกอบที่ซับซ้อน เช่น อากาศยาน จะมีรูปแบบของสัญญาณสะท้อนที่ซับซ้อน และกระจัดกระจายไปในหลายทิศทาง โดยการออกแบบจะพยายามไม่ให้คลื่นสัญญาณของเรดาร์สะท้อนไปในทิศทางของอุปกรณ์รับสัญญาณ เช่น F-117

รูป ๑๓ F-117 RADAR Reflection

ทั้งนี้การสะท้อนของคลื่นในธรรมชาติจะเกิดทั้งการสะท้อนที่สมบูรณ์ (Specular Reflection) กับการสะท้อนที่ไม่สมบูรณ์ (Diffuse หรือ Scattering Reflection) พร้อมกัน

รูป ๑๔การสะท้อนของคลื่นในธรรมชาติ

ผลของการสะท้อนทำให้เกิด ๒ ปรากฏการณ์ ได้แก่ สัญญาณหลายเส้นทาง (Multipath) และสัญญาณกระพริบ (Scintillation)

สัญญาณหลายเส้นทาง (Multipath หรือ Multiple Path)

เมื่อสัญญาณเรดาร์ถูกสะท้อนมากกว่า ๑ ครั้งในการเดินทางกลับเข้าหาอุปกรณ์ภาครับ (Receiver) จะเกิดการสะท้อนแบบไม่โดยตรง (Non-direct Reflections) หรือสัญญาณสะท้อน (Reflected Signal) ซึ่งจะทำให้เกิดความแตกต่างของระยะทางในการเดินทางของคลื่นเรดาร์จากสัญญาณที่ถูกต้อง (Direct Signal) ส่งผลให้การประมวลผลตำแหน่งและระยะทางของเป้าหมายผิดพลาดไปจากความเป็นจริง

รูป ๑๕ Multipath Signal

สัญญาณกระพริบ (Scintillation)

       เมื่อสัญญาณเรดาร์เกิดปรากฏการณ์ Multipath บริเวณพื้นผิวของเป้าหมาย จะทำให้เกิดการรวมของคลื่นที่สะท้อนออกมา ในการรวมนี้อาจทำให้เกิดการหักล้างของคลื่นที่มีเฟสไม่ตรงกัน (out of phase) ส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงระดับของพลังงานของคลื่นที่สะท้อนกลับไปยังภาครับ ทำให้ความชัดเจนของเป้าที่จับได้ไม่คงที่ในลักษณะกระพริบ คล้ายกับดาวบนท้องฟ้า

รูป ๑๖ การรวมของคลื่น

การเบี่ยงเบน (Diffraction)
       การเบี่ยงเบนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นมีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่อ้อมมุมของสิ่งกีดขวางต่าง ๆ เช่น ภูเขา หรืออาคาร เป็นต้น โดยคลื่นที่มีความถี่ต่ำ หรือความยาวคลื่นมาก จะได้รับผลกระทบในการเบี่ยงเบนมากกว่าคลื่นที่มีความถี่สูง

รูป ๑๗ เปรียบเทียบการเบี่ยงเบนของคลื่นที่มีความยาวคลื่นต่างกัน

การเบี่ยงเบนจะมีผลกระทบอย่างมากกับเรดาร์ที่ใช้คลื่นความถี่ต่ำกว่า 5 MHz ลงมา ซึ่งจะทำให้เกิดคลื่นพื้นผิว (Surface Wave) เมื่อใช้ย่านความถี่ HF ซึ่งสามารถเพิ่มระยะการตรวจจับของเรดาร์ได้ ในย่านความถี่สูงขึ้นไปขีดความสามารถในการอ้อม สิ่งกีดขวางจะทำได้ลดลง ทำให้ไม่สามารถตรวจจับเป้าหมายในห้วงบริเวณเงาของสิ่งกีดขวางได้ (Terrain Masking)

รูป ๑๘ Terrain Masking

การหักเห (Refraction)

       การหักเหของคลื่นคือการหักงอของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อเกิดทางผ่านสื่อกลางที่มีความหนาแน่นต่างกันในความเร็วที่ต่างกัน โดยบรรยากาศระดับสูงจะมีความหนาแน่นต่ำกว่าบรรยากาศระดับต่ำ ทำให้คลื่นเรดาร์สามารถเดินทางตามความโค้งของโลกได้ โดยคลื่นที่มีความถี่ต่ำจะได้รับผลกระทบมากกว่าคลื่นที่มีความถี่สูงเช่นเดียวกับการเบี่ยงเบน

ระยะเส้นขอบฟ้าของเรดาร์ (RADAR Horizon)

เป็นขีดความสามารถในการตรวจจับเป้าหมายของเรดาร์ที่เกินกว่าเส้นขอบฟ้าทางภูมิศาสตร์ ซึ่งถูกบังโดยส่วนโค้งของโลก สามารถประมาณได้โดยใช้สูตร

Rh = 1.23 √h1

โดย Rh คือระยะเส้นขอบฟ้าของเรดาร์ มีหน่วยเป็น ไมล์ทะเล (Nm)

h1 คือความสูงของเรดาร์เหนือพื้นดิน มีหน่วยเป็น ฟุต (ft)

ผลลัพธ์จะมากกว่าระยะเส้นของฟ้าทางภูมิศาสตร์อยู่ประมาณ 15 % หากเป้าหมายบินอยู่ในชั้นความสูง h2 จะใช้สูตร

Rh = 1.23 (√h1+√h2)


https://nniwat.wordpress.com/2010/07/01/%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B8%B1%E0%B8%81%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%97%E0%B8%B3%E0%B8%87%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B9%80%E0%B8%9A%E0%B8%B7%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%95%E0%B9%89%E0%B8%99%E0%B8%82/