Radar (również stacja radiolokacyjna, radiolokator; ) – urządzenie służące do radiolokacji obiektów i zjawisk fizycznych.
Przeznaczone jest m.in. do wykrywania – za pomocą fal radiowych – obiektów powietrznych, nawodnych oraz lądowych takich jak: samoloty, śmigłowce, rakiety, statki (również chmury oraz obiekty terenowe), pozwalające na określenie kierunku, odległości, a także rozmiarów obiektu, a w radarach dopplerowskich także do pomiarów prędkości wykrywanego obiektu.
Radary mogą też służyć do penetracji gruntu (GPR). Tę samą technikę wykorzystuje się także do badania lodowców. thumb|Radar dalekiego zasięgu – antena paraboliczna (o średnicy 40 m) może się obracać, umożliwiając obserwację aktywności w pobliżu horyzontu.
Wstęp Radar to słowo utworzone na początku lat czterdziestych XX w. z pierwszych liter anglojęzycznego terminu „radio detection and ranging” (wykrywanie oraz wyznaczanie odległości za pomocą fal radiowych, względnie: radiowe wykrywanie i namierzanie). Wcześniejszy termin brytyjski, (), został zastąpiony jego amerykańskim odpowiednikiem, który przyjął się w wielu językach.
Do wykrywania obiektów wykorzystuje się zjawisko odbicia fal radiowych (najczęściej w tym celu wykorzystuje się pasmo mikrofal) od wykrywanych obiektów lub fal wysyłane przez te obiekty. W radarze aktywnym nadajnik radaru emituje wiązkę promieniowania skierowaną na badany obszar, sygnał odbija się od obiektu i odbierany jest w odbiorniku znajdującym się zazwyczaj w tym samym miejscu co nadajnik. Jako sygnał sondujący można stosować krótkie impulsy o dużej mocy (w radarze impulsowym) lub stosować falę ciągłą (w radarach policyjnych, radarach FMCW i radarach szumowych).
Radar pasywny sam nie emituje promieniowania elektromagnetycznego, a jedynie odbiera promieniowanie odbite od obiektów, pochodzące zwykle od innych radarów lub nadajników telekomunikacyjnych. Na podstawie opóźnienia czasowego i przesunięcia dopplerowskiego sygnału odbitego określa się położenie i prędkość wykrytych obiektów.
Czasem (niepoprawnie) do radarów zalicza się urządzenia rozpoznawcze (ESM), które odbierają sygnały nadawane z pokładu obserwowanych obiektów – zwykle sygnały wysyłane w celach komunikacyjnych przez samoloty lub sygnały z radarów pokładowych. Urządzenia takie są w stanie określić kierunek przyjścia sygnału, a w przypadku połączenia ich w sieć – określenie położenia i prędkości źródeł sygnału. Przykładem takich urządzeń, stosowanych w astronomii są radioteleskopy odbierające promieniowanie wysyłane przez obiekty kosmiczne. Docierający do odbiornika sygnał jest zwykle bardzo słaby, dlatego też trzeba konstruować odpowiednio duże anteny i niskoszumne odbiorniki (często chłodzone ciekłym helem), aby umożliwić określenie kierunku przyjścia sygnału, jego natężenia i innych parametrów służących do identyfikacji obiektu.
Urządzenia radarowe mają obecnie wiele zastosowań, m.in. w meteorologii do wykrywania chmur burzowych, kontroli ruchu lotniczego, morskiego, prędkości poruszających się pojazdów przez policję oraz w wojsku. Wykorzystuje się je również do tworzenia obrazów o wysokiej rozróżnialności, stosując technikę syntezowania apertury ( – ang. ). Poprzednikiem tej technologii był pokładowy radar obserwacji bocznej SLAR.
Historia Po raz pierwszy fal radiowych do detekcji obiektów metalowych użył w 1904 r. Christian Hülsmeyer, który zademonstrował możliwość wykrycia statku w gęstej mgle, wpływającego do portu. Zasięg urządzenia okazał się równy około 4 km, czyli był mniejszy niż widoczność okrętu w pogodny dzień.
Do rozwoju prac nad radarem przyczyniły się tuż przed II wojną światową prace amerykańskich, francuskich, niemieckich, węgierskich oraz brytyjskich naukowców nad wytwarzaniem i odbiorem mikrofal. Wojna przyspieszyła zdecydowanie prace nad projektem. Opracowano wiele innowacyjnych rozwiązań umożliwiających skuteczniejszą detekcję obiektów. Pierwszy system obrony radarowej powstał na zamówienie rządu Wielkiej Brytanii tuż przed II wojną światową. Sieć stacjonarnych stacji nazwanych Home Chain zaczęto budować w roku 1935, a być może nawet rok wcześniej; urządzenia co najmniej początkowo działały z wykorzystaniem stosunkowo długich fal długości kilkunastu metrów.
Zasada działania thumb|Amerykański samolot F-117 wykonany w technologii stealth Zjawisko odbicia Fale elektromagnetyczne ulegają odbiciu oraz rozproszeniu w przypadku natknięcia się na zmianę własności dielektrycznych czy magnetycznych ośrodka, w którym się rozchodzą. Może to być ciało stałe w powietrzu, cieczy czy innym otaczającym je ośrodku, w którym rozchodzi się promieniowanie. Szczególnie silnie odbijają promieniowanie mikrofalowe przewodniki elektryczne, takie jak: metale czy włókna węglowe, czyniąc radar urządzeniem wyjątkowo dobrze nadającym się do wykrywania samolotów czy statków. Materiały absorbujące promieniowanie mikrofalowe emitowane przez radar, zawierające składniki rezystywne, a czasami magnetyczne, są wykorzystywane przy budowie pojazdów wojskowych. Typowym tego przykładem jest amerykańska technologia stealth wykorzystana przy konstrukcji samolotów F-117 oraz B-2 i najnowszych F-22 oraz F-35. Obiekty wykonane w tej technologii nie są dla promieniowania elektromagnetycznego „przeźroczyste” a jedynie ich „dziwny” kształt oraz powłoka wykonana z absorbującego promieniowanie mikrofalowe materiału powodują, że odbite promieniowanie jest wyjątkowo słabe i nie wyróżnia się na tle szumów, co sprawia, że są one trudne do wykrycia.
Fale radiowe odbijają się w różny sposób w zależności od długości fali, kształtu oraz skutecznej powierzchni odbicia obiektu. Jeśli długość fali jest dużo mniejsza od wielkości obiektu, to ten przypadek można przyrównać z odbiciem wiązki światła padającej na zwierciadło. Natomiast jeśli długość fali jest znacznie większa od długości obiektu, wtedy w odbiciu decydują własności falowe promieniowania, z których wynika prawo rozpraszania Rayleigha. Współczynnik odbicia zależy silnie od wielkości obiektu oraz od polaryzacji. W przypadku porównywalnych długości fali elektromagnetycznej oraz oświetlanego obiektu może dojść do zjawiska rezonansu. Pierwsze radary używały fal radiowych o dużej długości (metrowe i dłuższe) i w konsekwencji otrzymywano nieprecyzyjny sygnał odpowiedzi, podczas gdy we współczesnych urządzeniach używa się fal decymetrowych i krótszych, dzięki czemu można wykrywać oraz określać parametry obiektów o stosunkowo małej powierzchni.
Krótkie fale radiowe odbijają się od zakrzywionych powierzchni oraz kantów w podobny sposób jak błysk światła odbija się od zaokrąglonych szklanych elementów. Powierzchnie idealnie odbijające fale krótkie są nachylone względem siebie pod kątem 90°. Struktura posiadająca trzy płaskie powierzchnie wzajemnie prostopadłe od których kolejno odbijają się fale, odbija je w kierunku źródła promieniowania.
Wykorzystując tę właściwość, skonstruowano tzw. rożki odbijające, które często są używane jako reflektory radarowe umieszczane na obiektach, czyniąc je łatwiejszymi do wykrycia. Ma to istotne znaczenie szczególnie w żegludze, gdzie obiekty o małej skutecznej powierzchni odbicia (np. jachty) lub istotne dla nawigacji (np. mosty na kanałach), mogą być widoczne na ekranie wskaźników dużych statków, co ma na celu podniesienie poziomu bezpieczeństwa poprzez uniknięcie przypadkowych kolizji.
Z tego samego powodu unika się tego typu powierzchni oraz wszelkiego rodzaju wystających elementów podczas konstruowania obiektów typu stealth. To zabezpieczenie nie eliminuje całkowicie odbicia fal z powodu dyfrakcji, szczególnie kiedy używa się fal o większej długości. Pręty czy paski o długości równej połowie długości fali wykonane z przewodzącego prąd materiału, takie jak paski metalowej folii rozrzucane przez samolot w celu uniknięcia namierzenia przez wiązkę radarową rakiety, bardzo dobrze odbijają padające na nie promieniowanie, rozpraszając je w kierunku różnym od tego, na jakim znajduje się źródło sygnału.
Wielkość powierzchni, jaką obiekt odbija padające na niego promieniowanie jest opisywana przez tzw. skuteczną powierzchnię odbicia.
Równanie zasięgu radaru Moc powracająca do anteny odbiorczej radaru jest opisywana równaniem:
gdzie: – moc nadajnika – zysk anteny nadawczej – skuteczna apertura (powierzchnia) anteny odbiorczej – skuteczna powierzchnia odbicia – współczynnik propagacji – odległość pomiędzy nadajnikiem a celem – odległość pomiędzy celem a odbiornikiem – współczynnik tłumienia na trasie sygnału nadajnik-cel-odbiornik.
W przypadku, kiedy nadajnik i odbiornik są umieszczone w tym samym miejscu, i oznaczenie może być zastąpione przez gdzie oznacza zasięg. W ten sposób otrzymujemy:
Równanie to pokazuje, że moc odebrana jest odwrotnie proporcjonalna do zasięgu, który jest w mianowniku aż w czwartej potędze. Oznacza to na przykład, że przy dwukrotnym zwiększeniu odległości od celu, moc, jaka dostanie się na wejście odbiornika, będzie 16 razy mniejsza. W miarę wzrostu odległości do celu występuje znaczący spadek mocy fali, która wraca po odbiciu się od niego.
Stosowane jest dla powyższego równania pewne uproszczenie, a mianowicie przyjmujemy, że w przypadku próżni bez występowania zjawiska interferencji. Współczynnik propagacji jest efektem występowania zjawiska cienia oraz strat zależnych od wielu czynników środowiskowych. W rzeczywistych warunkach powinien być uwzględniany efekt strat sygnału.
Inne rozwiązania matematyczne są stosowane w procesie obróbki sygnałowej, włączając w to analizę czasowo-częstotliwościową.
Polaryzacja Fala wysyłana przez nadajnik radaru może być spolaryzowana. W zależności od rodzaju obiektu, którego oczekuje się, używane są różne polaryzacje: pionowa, pozioma, eliptyczna, bądź kołowa, której używa się w celu minimalizacji zjawiska interferencji zachodzącej w czasie deszczu. Podczas odbicia sygnał zmienia stan polaryzacji w zależności od tego czy odbijające ciało jest gładką powierzchnią metalu czy dielektryka, także powierzchnia o chropowatości porównywalnej z długością fali zmienia polaryzację fali odbitej. Polaryzacja liniowa pozwala na detekcję powierzchni metalowych, ułatwia również wykrywanie deszczu. Wracająca fala o polaryzacji losowej wskazuje na chropowatą powierzchnię, jak skały czy ziemia i jest wykorzystywana przez radary nawigacyjne, pracujące tuż przy horyzoncie, do odróżnienia sygnału odbitego od samolotu i ziemi.
Szumy Szumy są wewnętrznym źródłem przypadkowych wahań wartości sygnału użytecznego. Są generowane przez wszystkie podzespoły elektroniczne. Typowe szumy pojawiają się jako losowe zmiany nakładające się na sygnał odpowiedzi w odbiorniku radaru. Im mniejsza moc sygnału odbieranego tym trudniej jest go wyróżnić na tle szumów urządzenia. Aby radar mógł wykryć sygnał użyteczny, musi on być silniejszy (zwykle od kilku do kilkunastu dB) od sygnału szumu. Na całkowity sygnał szumu w radarze składają się szumy własne odbiornika (moc szumów odbiornika jest iloczynem temperatury odbiornika, szerokości pasma odbiornika i współczynnika szumu) oraz szumy zewnętrzne pochodzące od wyładowań atmosferycznych, przypadkowych zakłóceń generowanych przez wiele urządzeń itp. Bardzo ważnym źródłem szumów jest naturalne promieniowanie cieplne tła otaczającego obserwowany przedmiot (w tym szumy kosmiczne), a poziom szumów zwiększa się gdy antena radaru „patrzy” na słońce (potężne źródło szumów). Współczynnik szumu odbiornika jest mierzona poprzez porównanie wartości szumów generowanych przez odbiornik z idealnym źródłem szumów.
Zakłócenia pasywne