Radar

Radar, uzaktaki hedefleri mikrodalga yansıtma metodu ile tespit eden cihazdır.



Radar cihazı ile karanlık bulut veya sis içinde olup görünmeyen cisimlerin durumu ve yeri mikrodalgalarla tayin edilir. İlk adı radiolocation dur. Radar, İkinci Dünya Savaşı sırasında geliştirilmiş ve ismi Radio Detection and Ranging kelimelerinin büyük baş harflerinin biraraya getirilmesinden türemiştir. Bu İngilizce kelimeler, radar cihazının mikrodalgalarla hedefin mesafesi, istikameti ve açısını bulduğu anlamına gelir. Uzaktaki cisimleri tıpkı bir projektör gibi, fakat radyo frekanslarında aydınlatarak tespit eden bir teleskopa benzetilebilir. Halbuki ilk defa Galilei tarafından 1610'da kullanılan teleskop, uzaktaki cisimleri tespit için cisimlerin yayınladığı ışınlara muhtaç ve ayrıca bunun frekansına bağımlıdır. Cihazın bir vericisi, bir de hedeften yansıyarak dönüp gelen mikrodalgayı alan alıcısı vardır. Görüntü televizyon ekranının benzeri katot ışınlı tüp üzerinde ışıklı noktalar halinde teşekkül eder.

Radarın keşfinde, gözü görmediği halde karanlıkta büyük ustalıklarla uçup, avını yakalayan yarasanın çok rolü olmuştur. Yarasa insan kulağının duyamayacağı ultrasonik ses frekansı yayınlayarak, yansıyan sesten hedefini görmektedir.

Radarın keşfi İkinci Dünya Savaşı ile aynı zamana rastlar. Artan Hitler tehlikesine karşı olağanüstü ölüm ışınlarını bulma hülyasının gerçekçi bir sonucu olarak ortaya çıkan radar, düşmanı uzaktan tespit edip ve görünmese bile bunu tahripte başarıyla kullanılmıştır. Yukarıda sözü geçen ölüm ışınları düşüncesi ise daha sonraları lazerin keşfiyle tekrar canlanmıştır.

Harbin getirdiği bir silah olarak ortaya çıkan radar, barış zamanında da birçok uygulama alanları bulmaktadır. Bunlara misal olarak gemilerin kesif sis içinde yönlendirilmesi, uçaklarda hedef bulma, kör uçuş ve kör inişin gerçekleştirilmesi ve fırtınayı takip sayılabilir.

Radarla ilgili ilk deney 1935 Şubat ayında 49 m dalga boyunda çalışan bir CW (continuous waves = sürekli taşıyıcı dalga) radyo vericisiyle yapıldı. Yaklaşan bir uçağın 13 km'den tespit edilmesiyle ilk başarı sağlandı.

1935 Haziran ayında da ilk darbeli verici yapıldı ve denendi. 24 km mesafedeki bir uçaktan yansıyan bir takım işaretler sezildi. Darbeli verici işareti halinde mesafe, gönderilen ve alınan darbe arasındaki zaman kayması ve dalgaların yayılma hızından hesaplanabilir. 50 m dalga boyunda çalışıldığında, diğer radyo istasyonlarının karıştırması sebebiyle daha sonraki denemelerde, radar dalga boyu 25 m'ye değiştirildi. Daha kısa dalga boyu kullanmanın başka bir faydası da, aynı fiziki büyüklükteki bir antenin yöneltilme özelliklerini geliştirmesiydi. 1935 Eylül ayında mesafede 70 km'ye, 1936 Mart ayında ise 150 km'ye ulaşıldı.

Radar üzerindeki çalışmalara hem Avrupa hem de Amerika'da aynı yıllarda devam edilmiş, geliştirilen örnekler ordu hizmetlerinde kullanılmıştır. İlk önce geliştirilen CW-radar daha hassas olmasına rağmen mesafe hakkında bir bilgi vermemekte, sadece hedefin varlığını göstermektedir. Darbeli radarda ise, gönderilen darbe bir anlamda işaretlenir ve hedeften yansıyıp tekrar alınana kadar geçen süreden mesafe kolayca hesaplanır.

Halen kullanılan birçok radar aynı temel esaslara göre, fakat gelişmiş bir doğrulukla çalışmaktadır. Mesela radardaki savaş sonrası ilerlemelerin en büyüğü elektronik bilgisayarların ortaya çıkmasından sonra, muazzam hafıza kapasiteleri ve hesaplama hızları sebebiyle işaret analizi alanında olanıdır. Böylece yansıyan işaretler ayrıntılı olarak incelenebilmekte, hedefe ait birçok bilgi, çeşitli yollarla göz önüne serilebilmektedir.

Radarın en anlamlı uygulamalarından biri olan haritalama radarında ise, mikrodalgalar kullanılmakta ve sağlanan bilgilerden fotoğraf ve benzeri şekiller elde edilmektedir.

Bir radar sistemi, kullanıldığı yere bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilir. Temelde bu, ya sürekli dalga radarı veya darbeli radar olacaktır. Gözlenecek büyüklük bir polis radarındakine benzer olarak, cismin hızı olabildiği gibi, cismin uzaklığı ve yüksekliği, uzaklığı ve hızı, uzaklığı ve yönü olabilir. Dolayısıyla bu durumlardan herhangi biri için kullanılacak radar tipinin tek olduğunu söylemek güçtür. Ayrıca, bir radar sistemi sadece bir alıcı ve bir vericiden ibaret değildir. Radar sistemini; kullanılacak frekans, atmosferin etkileri, hedeflerin ve bulundukları ortamın özellikleri gibi faktörler belirler.

Yayınladığı radyo frekans işareti sürekli olan CW-radarının getirdiği tahditler şöylece sıralanabilir:

CW-radarı mesafe bilgisi vermez. Sadece yarım dalga boyundan -genelde bir metreden az- mesafe değişiklikleri ölçülebilir.
CW-radarı sabit hedefler söz konusu olduğunda bunları ayırt edemez. Çünkü her bir hedefin yansıttığı işaretlerin toplamı yine başka tek bir hedefin yansıtacağı sinüzoidal bir işaret anlamına gelir.
CW-radarı farklı hızları tespit edebilir. Çünkü yansıtılan işaretler farklı frekanslarda olacaktır (Doppler frekansları). Fakat bu durumda da hızlar fark edilmiş, hedeflerin kendileri uzayda fark edilememiştir.

Yayınlanan işareti, darbeler halinde gönderen darbeli radarda ise CW-radarının yukarıda sözü edilen mahzurları bulunmaz. Kesinlikle ölçülebilen mesafe, darbe peryoduyla doğru orantılı, radyal hız ise ters orantılıdır. Bu yüzden darbe frekansı her iki büyüklüğü tatmin edici bir şekilde ölçebilmek için optimize edilir. Mesela çokça kullanılan 1 kHz'lik tekrarlama frekansı halinde mesafe hesaplanırsa 150 km bulunur. Bu değer ise, mesela hava alanı radarları için tatminkardır.

Yönlendirilebilir radar anteninden belirli bir anda yayınlanan yüksek frekanslı işaret darbesi bir cisme çarptığında, radyofrekans enerjisinin bir kısmı geri yansır. Yansıyan bu darbe, radarın alıcı düzeni vasıtasıyla alınır. Temel olarak antenin o andaki yönü cismin yönünü, darbenin gidip gelme zamanı da mesafesini verir. Pratikte kullanılan radar sistemleri sadece bir alıcı ve bir vericiden ibaret olmayıp, çok daha karışık bir yapıdadır. Fakat ana birimleri gösterecek şekilde bir radar sistemi blok şemada belirtilen yapıdadır. Zamanlama birimi veya darbe jeneratörü vericiye bir anahtarlama darbesi ve aynı anda alıcıya referans darbe gönderir. Darbe modülatörde şekillendirilir ve kuvvetlendirilerek antene uygulanır. Gözlenen alan, anten tarafından adeta bir ışık hüzmesiyle olduğu gibi taranır. Çok çeşitli tipte anten mevcutsa da, çoğu istendiğinde belirli bir yöne yöneltilebilen yapıdadır. Alma ve gönderme için ayrı ayrı antenler kullanılabildiği gibi, çoğu sistem her iki fonksiyon için aynı anteni kullanmaktadır. Alma-gönderme anahtarı, bir darbe yayınlanırken alma biriminin yolunu kesen, diğer zamanda yansıyan işaretleri almaya hazır hale getiren elektronik bir anahtardır. Radarın menzili gönderilen iki darbe arasındaki zamanla sınırlıdır. Çünkü gönderilen bir radyofrekans darbesi bir sonraki darbeye kadar gidip gelmek mecburiyetindedir.

Alınan işaret, alıcıda daha önce darbe jeneratörünün ürettiği referans işaretle mukayese edilir. Aradaki zaman miktarından mesafe tayin edilir. Bunu yapmak için birçok metod vardır. Katod ışınlı osiloskoplar, mukayese göstergeleri olarak çokça kullanılırlar.

Basit bir misal olarak, darbe jeneratöründen alınan referans işaretin, ekran üzerinde yatay taramayı başlattığını düşünelim. Taramanın osiloskop ekranını baştan başa katetmesinin ifade ettiği mesafe tarama devresinin parametreleriyle ayarlanabilir. Bu arada yansıyan işaret osiloskobun diğer saptırma devrelerine uygulanırsa iz, üzerinde bir çıkıntı şeklinde ortaya çıkar.

Şüphesiz bu hesapta devredeki bir takım zaman gecikmeleri ihmal edilmiştir. Son asrın harikulade bir sistemi olarak görünen radarı geliştiren ilim adamları, bu fikri herkesin bildiği bir canlıdan almışlardır. Bu canlı geceleri büyük bir hızla ve keskin dönüşler yaparak uçan yarasalardır. İnsanoğlunun radarından çok daha gelişmiş bir mekanizmaya sahip olan yarasalar, ağızlarıyla insanların duyamadığı yüksek frekanslı işaretler göndermekte, cisimlerden yansıyan işaretleri analiz ederek bunun bir engel mi veya bir yiyecek mi olduğunu tespit etmektedirler. Yarasaları taklit ederek, onların sahip olduğu sistem yanında, çok iptidai kalan radarı yapan insanoğlu incelemelerine devam etmekte, kulaklarıyla gören yarasaların keşfedilmemiş sırlarını bulmaya çalışmaktadır.

Çalışma prensipleri

Radarın çalışma prensibi; sesin yankı yapması, yani ses dalgasının bir engele çarparak yansıyıp, tekrar çıktığı noktaya ulaşması olayının benzeridir. Sesin havadaki yayılma hızı saniyede 340 metre olduğu için, yansıyan sesin duyulması ile ilk ses arasında bir zaman geçer. 340 metre mesafedeki bir dik dağa doğru bağırılınca, ses dalgaları bir saniye içerisinde dağa ulaşır, oradan yansıyan ses dalgaları da bir saniye içerisinde tekrar ilk çıktığı noktaya ulaşır. Toplam olarak sesin çıkışı ile duyuluşu arasında iki saniye geçmiştir. Bu prensipten gidilerek, bilinmeyen bir mesafedeki dağa ses gönderilirse, yankının duyulduğu zaman tespit edilip, mesafe hesaplanabilir. Sesin uzaklara gidebilmesi için yükseltici ve yönlendirici hoparlör kullanmak gerekir. Hoparlörün yatay ve dikey konumu, sesin ulaşıp döndüğü noktanın istikametini ve yüksekliğini açı olarak verir.

Radarın çalışma prensibi, sesin yankı yapmasından farklı bir özellik taşımaz. Yalnız radar cihazı, çok yüksek frekanslı ses dalgaları denilebilecek mikrodalga yayını yapar. Mikrodalgalar saniyede 300.000 kilometre yol aldığı için sinyal gidiş dönüş süresi çok kısadır. Radar sinyalleri kısa süreli darbeler halindedir. Bu sinyaller antenlerle yönlendirilerek dar bir ışık hüzmesi gibi gönderilir. Böylece çok kısa sürede, çok uzaklardaki hedefin mesafesi, istikameti ve yüksekliği hassas bir şekilde tayin edilebilir.

Radar mikrodalgaları yayımı üç şekilde yapılır: 1) Devamlı dalga, 2) Frekans modülasyonu, 3) Darbe modülasyonu. En çok kullanılan metod darbe (pulse) modülasyon metodudur. Bu metodla yapılan yayında radyo frekans enerji muntazam aralıklı kısa darbeler halindedir. Radar cinsine bağlı olarak darbe süreleri 0.1 ile 5 mikrosaniye arasında değişir. Mikrodalga frekansı yine radar cinsine göre 100 ile 60.000 megasaykıl (1 megasaykıl= 1.000.000 saykıl) arasında değişir. Yayınlanan mikrodalga hüzmesi, bir veya iki derecelik çok dar koni biçimindedir.

Radarla mesafe tayin edilirken, mikrodalga darbesi gönderilir gönderilmez ekranda darbe gözükür. Darbe boyu radar gücü ile, darbe genişliği de mesafe hassasiyetiyle ilgili olarak değişebilir. 20 km mesafede bulunan hedef gemiye mikrodalga çarpıp yansıdığı an, mikrodalga henüz yolun yarısına gelmiştir. Bu yüzden ekranda gözüken mesafe 10 km'dir. Yansıyan dalga tekrar geriye döndüğünde, radar alıcısından ekranda gözükür. Bu görüntü hedef görüntüsüdür. Radar istasyonu ve hedef sabitse görüntü hep aynı mesafede kalır. Hareketli hedeflerde görüntü de ekranda kayar.

Radarla hedefin istikameti, radar anteni yatay düzlemde 360 derece döndürülmek suretiyle tayin edilir. Görüntünün hassasiyeti mikrodalganın dar bir hüzme halinde yayını ile mümkündür. Kuzey tam sıfır kabul edildiğinden, görüntünün ekrandaki konumu kuzeye göre tarif edilmiş olur. Hedef yüksekliği de istikamet tayini gibi yapılır. Radar anteni her mesafeye göre dakikada değişik sayıda dönüş yapar. Mesela dakikada beş dönüş yapan radar anteni, 360 dereceyi 12 saniyede tamamlar.

Radar elemanları

Modülatör, verici ve ekran göstergesini harekete geçiren darbeleri üretir. Modülatör bu bakımdan bir çeşit frekans osilatörüdür. Eğer modülatör saniyede 250 darbe üretiyorsa, bu dalganın peryodu 1/250= 0,004 saniye veya 4000 mikrosaniyedir. Mikrodalga 12,2 mikrosaniyede bir mil yol aldığından, bu radarın menzili 400/12,2= 328 mildir (1 mil= 1852 m).

Modülatörün ürettiği darbe süresi mesafe ile sınırlıdır. Eğer vericiden çıkan darbe hedeften yansıyıp alıcıya gelmeden ikinci darbe gönderilirse, hedef vericinin yayını ile maskelenir. Süresi kısa darbeler gönderilirse bu durum ortadan kalkar.

Radar vericisi özel mikrodalga osilatör tüpü olan magnetronla çalışır. Modülatörden alınan darbe, yükseltildikten sonra magnetron katoduna gelir. Bu magnetronun darbe süresince birkaç bin megasaykıl frekansında dalga üretmesine sebep olur.

Magnetron çıkışı duplekserden geçerek antene gider. Duplekserin görevi verici yayın yaparken alıcının yayından müteessir olmasını önlemektir. Magnetronun görevini yapan yüksek güçlü klistronlar da vardır.

Radar alıcısı mikser, lokal osilatör, ara frekans yükseltici video yükselticilerinden meydana gelmiştir. Alıcı çıkışındaki video frekans sinyali, ekranda görüntü olarak gözükür. Ekran tipleri muhteliftir. A-Skop ekranında verici darbesi mikrodalganın aldığı yol ve yansıma darbesi çıkıntı halinde gözükür. Hedeflerin yatay düzlemde gözüktüğü ekrana ise PPI ekran denir. PPI, plan, pozisyon, indikatör manasına gelir. Hedeflerin yüksekliğini gösteren ekranlara da RHI, (mesafe yükseklik ekranı) denir. RHI ekranlarında mikrodalga 360 derece dönmez; 20-30 derecelik dönüşler yapar. Maksada göre R,J,K skop ekranları da vardır.

Radar anteninin görevi, mikrodalgayı yaymadan bir yöne doğru göndermektir. Anten reflektörünün de bu işlemde büyük rolü vardır. Radar anteni, mikrodalganın dalgaboyunun yarısına eşit uzunlukta dipol ve reflektörden ibarettir. 3000 megasaykıldan büyük yayınlarda parabolik anten kullanılır. Parabolik antenlerde mikrodalga hüzmesi çok dar ve kuvvetlidir. Atış-kontrol, uzay radarlarında parabolik anten kullanılır. Bazı radarlarda anten 360 derece dönerken, bazılarında sabit durur. Sabit antenler frekans ve faz taramalı düzene sahip antenlerdir. Elektronik devreler anten dönüyormuş gibi yayını 360 derece temin eder.

Radar türleri

Radarlar kullanma maksadına göre sınıflara ayrılır.

Arama radarı yatay düzlemde, hedefe ait istikamet ve mesafe malumatı verir.
İrtifa radarı yalnız irtifa malumatı verir.
Hava arama radarı, arama radarı ile irtifa radarının karışımı olup, menzili çok fazladır. Süratli uçakların uzaktan takibini hava radarı yapar.
Atış kontrol radarları, dar hüzmeli hedefi yakaladıktan sonra hedefe kilitlenip devamlı takip eden topçu radarıdır.
Füze takip radarları ise, hava radarı ile atışkontrol radarının zincirleme çalışmasından ibarettir.

Radarlar askeri ve sivil maksatlara göre de sınıflandırılmıştır. Askeri maksatlarla kullanılan IFF ve ECM cihazları, sivil maksatlarla kullanılan meteoroloji, astronomi cihazları radarların cinslerindendir. IFF dost-düşman tanıma radarıdır. ECM ise aktif olarak düşman radar alıcılarını yanıltmak için değişik frekanslarda yayın yaparlar; pasif olarak da muhtelif yayınları analiz ederek hedef gemilerin özelliklerini teşhise yardımcı olur.

Radar tarihi

Radarın bulunuşuna ilk adımı Alman fizikçisi Heinrich Hertz'in, elektromanyetik dalgaların ışık gibi yayılmasını ve yansımasını sağlaması ile başlamıştır. 1904 senesinde ise Alman mühendis Christian Hülsmeyer gemilerin çarpışmasını önlemek için, basit bir radyo yankı cihazı geliştirdi. 1925 senesinde Merle A.Tuve, Amerika'da darbeler halinde elektromanyetik dalga neşrine muvaffak olunca, bugünkü anlamda radara geçiş sağlanmış oldu. İkinci Dünya Savaşı esnasında Alman, Fransız, İngiliz ve Amerikan fizikçilerinin çalışmaları iyice arttı. 1940 senesine doğru 180 km mesafedeki hedefi hassas bir şekilde tespit edebilecek radarlar yapıldı. 1940 senesinde İngiliz fizikçileri çok oyuklu magnetronu keşfedince, radar gücü birkaç bin misli arttırıldı. Almanların savaşı kaybetmelerinde büyük rolü olan bu buluş ile modern radarların yapımına geçilmiş oldu.