หลักการเบื้องต้นของเรดาร์ (RADAR Basic Principle)

แหล่งข้อมูล http://www.wikipedia.org

MASS Consultant Ltd.

กล่าวนำ

                หากกล่าวถึงอุปกรณ์ในการสงครามอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นแกนในการปฏิบัติการทางสงครามอิเล็กทรอนิกส์แล้ว คงไม่มีใครปฏิเสธได้ว่า เรดาร์ (Radio Detecting and Ranging: RADAR เป็นอุปกรณ์หลักในเรื่องนี้เพราะเป็นอุปกรณ์สำคัญในทุกมาตรการสำคัญของการสงครามอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นการโจมตีทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Attack: EA), การป้องกันทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Protection: EP) และการสนับสนุนทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Support: ES) ดังนั้นในการปฏิบัติการสงครามอิเล็กทรอนิกส์ให้มีประสิทธิภาพนั้น ผู้ปฏิบัติ (Operators) ทั้งหลายได้แก่ นักบิน (Pilots and Wings), หน่วยต่อสู้อากาศยาน (AAA or SAM Operator), หน่วยป้องกันภัยทางอากาศ (Air Defence RADAR Units), และหน่วยงานที่ให้การสนับสนุนทางสงครามอิเล็กทรอนิกส์ (EW Operational Support: EWOS) จะต้องได้มีความรู้ความเข้าในในการทำงานของเรดาร์เบื้องต้น ตลอดจนคุณลักษณะของเรดาร์ต่าง ๆ ที่จะต้องเกี่ยวข้องในการปฏิบัติการนั้น ๆ

 

การค้นพบเรดาร์

เมื่อปี ค.ศ.๑๙๐๓ วิศวกรชาวเยอรมัน Christian Hülsmeyer ได้ทดลองใช้คลื่นวิทยุในการตรวจจับเรือ ซึ่งมีวัตถุประสงค์ในการค้นหาสิ่งกีดขวางและการเดินเรือเป็นหลัก ซึ่งมีระยะในการตรวจจับประมาณ ๑ ไมล์ ทำให้ยังไม่เป็นที่นิยม เนื่องจากมีความสามารถใกล้เคียงกับสายตามนุษย์

สหราชอาณาจักรได้เริ่มให้ความสนใจเรดาร์ ในต้นปี ๑๙๓๕ โดย Robert Watson-Watt ถูกร้องขอให้พัฒนารังสีสังหาร (Death Ray) โดยใช้คลื่นวิทยุเป็นสื่อกลาง ผลการศึกษาพบว่า การทำงานของรังสีสังหารต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากซึ่งเทคโนโลยีด้านพลังงานในสมัยนั้นไม่สามารถผลิตได้ และแนะนำให้มีการวิจัยเพื่อใช้คลื่นวิทยุในการตรวจจับแทน กระทั่งในเดือนสิงหาคม ๑๙๓๕ ประเทศอังกฤษได้พัฒนา Pulse RADAR ที่ทำงานด้วยคลื่นวิทยุย่านความถี่ ๑๒ MHz มีรัศมีการตรวจจับประมาณ ๔๐ ไมล์ และถูกนำมาใช้ในระบบป้องกันภัยทางอากาศ Integrated Air Defence System (IADS) ที่เรียกว่า Chain Home ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ ๒ เพื่อแจ้งเตือนการโจมตีทางอากาศ(Early Warning)จากเยอรมัน แต่ยังไม่สามารถนำมาใช้ในการสั่งให้เครื่องบินขับไล่เข้าสกัดกั้นเครื่องบินข้าศึก (Ground Control Intercept)ได้

รูป ๑ Chain Home System (CH) ประกอบไปด้วยโครงสร้างขนาดใหญ่

ในช่วงปลายทศวรรษที่ ๓๐ มีหลายประเทศได้เริ่มพัฒนาเรดาร์ เช่น เยอรมันนี อิตาลี ฝรั่งเศส รัสเซีย และญี่ปุ่น ในเดือนกันยายน ๑๙๔๐ ทีมนักวิจัยอังกฤษได้เดินทางไปสหรัฐอเมริกาเพื่อแลกเปลี่ยนเทคโนโลยีด้านเรดาร์ระหว่างกัน โดยทางอังกฤษได้นำเสนอการใช้ Cavity Magnetron แทนการใช้ Oscillator โดย H A H (Harry) Boot and J T

รูป ๒ การแสดงการทำงานของ Magnetron ที่พัฒนาออกแบบโดย Boot และ Randall

โดยสามารถผลิตคลื่นวิทยุ ที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการได้ (wavelengths of 9.8 cm)

และเป็นจุดเริ่มต้นของ Cavity Magnetron

ส่วนทางสหรัฐได้ถ่ายทอดการพัฒนา Airborne Fighter RADAR และมีการพัฒนาเป็นเครื่องบินขับไล่กลางคืนต่อมา

รูป ๓ Bristal Beaufighter first RAF Airborne RADAR

รูป ๔ การติดตั้ง SERRATE (AI Mk IV) RADAR บนเครื่องบินขับไล่

รูป ๕ จอเรดาร์ แบบ A-Scope ในห้องนักบินบนเครื่องบินขับไล่เวลากลางคืน

 

 

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 ไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน

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

๒.     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

๓.     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

๔.     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)