كيف يعمل الرادار

لعلّك يومًا ما تأملّت محاولة هبوط طائرةٍ ضخمةٍ بحجم مبنى كبيرٍ على مدرّجٍ قصيرٍ، وضيّق نسبيًّا على مطار مدينتك، يمكنك بالطبع تخيّل تلك العملية تتم في الليل الحالك، أو وسط الضباب الكثيف، فإذا لم تستطع رؤية المكان الذي تسير فيه، فكيف يمكنك أن تأمل في الهبوط بسلامٍ؟ يتجنب الطيارون هذه الصعوبة باستخدام الرادار ، وهي طريقة رؤية تستخدم موجات الراديو عالية التردد.

تم تطوير الرادار في الأصل للكشف عن طائرات العدو خلال الحرب العالمية الثانية، لكنه الآن يستخدم على نطاقٍ واسعٍ في كل مجالات الحياة، بدءًا بأجهزة كشف السرعة التي تستخدمها الشرطة، وليس انتهاءً بمعدّات التنبؤ بالطقس!

يمكن للإنسان المجرّد رؤية الأشياء في العالم من حوله بفعل الضوء (عادةً من الشمس) المنعكس إلى العينين، فإذا كنت تسير في الليل أو في غرفةٍ مظلمةٍ على سبيل المثال، يمكنك تسليط الضوء من شعلةٍ، أو مصباحٍ أمامك لترى إلى أين أنت ذاهب، فتتحرك الحزمة الضوئية من المصباح، وينعكس جزءٌ منها عن الأجسام الموجودة أمامك، ويرتد إلى عينيك، ثمّ يعالج دماغك على الفور ما يعنيه هذا، فيخبرك عن الأشياء البعيدة، والقريبة، الثابتة منها والمتحرّكة، ويلائم حركة جسمك، وردّات فعلك حتى لا تتعثر بالأشياء من حولك، وتحقق غايتك المنشودة في الوسط المحيط، وهذا ما يشبه إلى حدٍّ بعيدٍ آلية عمل الرادار .

اصطلاحًا؛ فإنّ كلمة رادار (RADAR) هي اختصارٌ لفظيٌّ لمفهوم Radio Detecting and Ranging، وكما يشير هذا التعبير، فهو يعتمد على استخدام موجات الراديو.

ترسل الراداراتُ موجاتِ كهرومغناطيسية مشابهة للموجات المشكِّلة لشبكات الكمبيوتر اللاسلكية والهواتف المحمولة على شكل إشاراتٍ، أو نبضاتٍ قصيرة، فينعكس جزءً منها عن الكائنات المستهدفة وفق مسار، أو منحى الموجة ذاته، فيعود بالتالي جزء من تلك الأشعّة المنعكسة عن المواد إلى الرادار.

إنّ تلك الآلية أشبه بسماع صدى؛ فعلى سبيل المثال، عندما تصيح في بئرٍ ما، ستنعكس الموجات الصوتية الصادرة من حنجرتك عن الماء وجدران البئر وترجع إليك ـ فعليًّا إلى عنصر الاستقبال الصوتي، وهو الأذن ـ وبنفس الطريقة، تنعكس النبضة عن ماء المطر المتساقط مثلًا، وترسل على شكل إشارة إلى الرادار، ومن المعلومات التي يتم تجميعها، يستطيع الرادار تبيان مكان سقوط الأمطار، ومدى غزارتها.

يشير تأثير دوبلر إلى التغير في تردد الموجة أثناء الحركة النسبية بين مصدر الموجة (المادة المستهدفة) ومراقبها (الرادار).

تم اكتشاف هذا التأثير من قبل كريستيان يوهان دوبلر (Christian Johann Doppler)، الذي وصفها بأنها عملية زيادةٍ أو نقصان الضوء النجميّ، الذي يعتمد على الحركة النسبية للنجم.

يظهر تأثير دوبلر كذلك على الأصوات، فعلى سبيل المثال، عندما يتحرك مصدرٌ صوتيٌّ باتجاهك، سيزداد تردد الموجات الصوتية، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الصوت، وبالعكس، إذا ابتعد عنك، سوف تقل وتيرة الموجات الصوتية، وتنخفض درجة الصوت.

إنّ الانخفاض في درجة صفارات سيارات الإسعاف أثناء مرورها، والتحوّلات في الضوء الأحمر من الأمثلة الشائعة على تأثير دوبلر، وانطلاقًا من ذلك؛ يمكن لأجهزة الرادار قياس سرعة المواد أو الأهداف المدروسة، وتحديد اتجاه حركتها، وبالتالي توقّع أماكنها.

تحتوي الرادارات في شكلها الأساسي على أربعة مكوناتٍ رئيسيّةٍ:

يتم إنتاج موجات الراديو التي يستخدمها الرادار بواسطة قطعةٍ من المعدات تسمى مغنطرون (Magnetron).

تشبه الموجات الراديوية نظيرتها الضوئية؛ فهي تتحرك بنفس السرعة، ولكن موجاتها أطول بكثيرٍ، ولها ترددات أصغر بكثيرٍ؛ فالموجات الضوئية لها أطوال موجية تبلغ حوالي 500 نانومتر، في حين أن الموجات الراديوية التي يستخدمها الرادار عادةً ما يتراوح طولها بين بضعة سنتيمترات إلى متر، أي ما يقرب من مليون مرةٍ أطول من موجات الضوء.

إنّ كلًّا من الضوء، وموجات الراديو تُعَدّ جزءًا من الطيف الكهرومغناطيسي، وهو ما يعني أنّها تتشكّل من الأنماط المتغيرة لطاقة الإطلاق الكهربائية والمغناطيسية.

فعليًّا؛ إنّ الموجات التي ينتجها المغنطرون هي موجاتٌ صغيرةٌ، تشبه تلك التي يولدها فرن الميكروويف، إلّا أنّ الفرق هو أن المغنطرون في الرادار يجب أن يرسل الأمواج عدة أميالٍ، بدلًا من بضع بوصات، لذلك هو أكبر، وأقوى بكثيرٍ.

يُعَدّ جهاز الـ Duplexer المكوّن الأكثر أهمّيةً في جهاز الرادار إذ يقوم بالمبادلة الوظيفية لعمل الهوائي، بين كونه جهاز إرسال، أو استقبال، إذ ليس بالإمكان أن يقوم بالوظيفتين في آنٍ واحدٍ.

بالإمكان تلخيص المراحل التي يعمل بها الرادار البسيط وفق الآتي: