Nniwat's Blog

กล่าวนำ

จากวัตถุประสงค์พื้นฐานของระบบเรดาร์ ที่ต้องการตรวจจับตำแหน่งและระยะห่างของเป้าหมาย (Detection and Ranging) โดยใช้การสะท้อนของคลื่นวิทยุที่ส่งออกไปหาเป้าหมายนั้น ๆ สำหรับการหาระยะทางของเป้าหมายโดยทั่วไปแล้ว จะให้การส่งคลื่นลักษณะเป็นห้วงสั้น ๆ (Pulse Signal) ผ่านทางเสาอากาศ (Antenna) เมื่อสัญญาณแต่ระห้วงกระทบกับเป้าหมายแล้วจะสะท้อนพลังงานส่วนหนึ่งกลับมาที่ระบบเรดาร์ สัญญาณที่สะท้อนกลับ (Echo Signal) จะถูกรวบรวมโดยเสาอากาศ และนำสัญญาณไปสู่ภาครับของเรดาร์ (RADAR Receiver) และคำนวณเป็นระยะทางระหว่างเสาอากาศกับเป้าหมายจากช่วงเวลาระหว่างการส่งคลื่นจนถึงการรับคลื่นที่สะท้อนกลับมา สำหรับการคำนวณทิศทางและความสูงของเป้าหมายหาได้จากทิศทางของเสาอากาศในขณะที่จับเป้าหมายได้

นอกจากนี้ระบบเรดาร์ยังสามารถแบ่งออกเป็น ๒ ประเภท คือ เรดาร์ปฐมภูมิ (Primary RADAR) และ เรดาร์ทุติยภูมิ (Secondary RADAR) ซึ่งมีข้องที่แตกต่างกันที่การสะท้อนของสัญญาณ โดยระบบเรดาร์ทุติยภูมินอกเหนือจากการสะท้อนคลื่นแล้วยังมีการประมวลผลข้อมูลต่าง ๆ (เช่น ความสูง ความเร็ว สัญญาณบอกฝ่าย เป็นต้น) ของเป้าหมายรวมเข้ากับสัญญาณที่ส่งไป และส่งกลับมาที่ภาครับของเรดาร์ เพื่อให้สามารถยืนยันความเป็นตัวตนของเป้าหมายที่ถูกตรวจพบ โดยปกติแล้วระบบเรดาร์ทุติยภูมิจะต้องทำงานร่วมกันระหว่างเรดาร์และเป้าหมาย เพื่อใช้ในการพิสูจน์ฝ่าย (Identification Friend or Foe: IFF) 

 

รูป ๑ TPS-77 with Secondary RADAR on top

 รูป ๒ NIIP-N011-01 with Su-27/30, X-band Planar Array and L-band IFF

 ส่วนประกอบของเรดาร์

จากภาพแสดงให้เห็นถึงส่วนประกอบหลักที่จำเป็นสำหรับระบบเรดาร์แบบ Pulse ที่จะต้องสร้าง ส่ง รับสัญญาณ และแสดงผลสัญญาณห้วง ๆที่สะท้อนกลับมา ซึ่งประกอบไปด้วย Power supply Unit, Master Timer, Modulator, Transmitter, Waveguide, Transmit/Receive Switch หรือ Duplexer, Antenna, Receiver, และ Display   

 

รูป ๓ การทำงานและส่วนประกอบที่สำคัญของ Pulse Radar

 Power Supply Unit

เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ป้อนให้กับการทำงานของระบบเรดาร์ทั้งหมด ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบการใช้งานของเรดาร์ กล่าวคือ ระบบเรดาร์จะต้องมีระบบพลังงานที่เหมาสมต่อการใช้งานและการติดตั้ง เช่น หากเป็นเรดาร์เคลื่อนที่ควรต้องมีแหล่งผลิตพลังงานภายในของตนเอง ซึ่งจะมีกำลังน้อยส่งผลให้ระยะการตรวจจับเป้าหมายลดลง หากเป็นเรดาร์ขนาดใหญ่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้และต้องการรัศมีตรวจจับระยะไกลจำเป็นต้องมีแหล่งผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่เช่นกัน นอกจากนี้แหล่งกำเนิดไฟฟ้ายังเป็นปัจจัยในเสถียรภาพการทำงานของระบบเรดาร์ที่ต้องปฏิบัติงานตลอดเวลาอีกด้วย สำหรับอากาศยานที่ติดตั้งระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมากจะต้องมีแหล่งกำเนิดไฟฟ้าให้เพียงพอต่อความต้องการของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ติดตั้ง โดยการติดตั้ง แหล่งกำเนิดไฟฟ้าสำรองในแบบต่าง ๆ เช่น Low Drag Ram Air Turbines: LD RAT ที่มีกำลังการผลิตไฟฟ้า 4-40 kW

รูป ๔ ระบบเรดาร์เคลื่อนที่พร้อมแหล่งกำเนิดไฟฟ้าในตั้วเอง

  

รูป ๕ แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มเติมติดตั้งบนอากาศยาน

Master Timer

                เป็นส่วนประกอบที่สร้างห้วงสัญญาณ (Timing Pulse) ให้กับวงจรส่วนอื่น ๆ ของเรดาร์ เป็นส่วนที่ควบคุมจำนวนของ Pulse ที่จะถูกส่งออกไปในทุก ๆ วินาที ทั้งนี้ยังเป็นตัวกำหนดอัตราการรับในภาครับให้สอดคล้องกับอัตราของ Pulse ที่ถูกส่งออกไป รวมทั้งเป็นตัวกำหนดเวลาในการแสดงบนหน้าจอในการสแกนในแต่ละสัญญาณที่ส่ง โดยสรุปแล้ว Master Timer เป็นส่วนที่กำหนดจังหวะ Synchronise ห้วงเวลาของระบบเรดาร์ทั้งหมด

Modulator

เป็นส่วนประกอบมีหน้าที่สร้างคลื่นสัญญาณ RADAR Pulse ออกมาให้ตรงกับจังหวะของ Master Timer

Transmitter

มีหน้าที่นำ RADAR Pulse ไปผสมกับคลื่นวิทยุที่มีพลังงานสูงซึ่งทำหน้าที่เป็นพาหะ (Carrier) ซึ่งได้จาก อุปกรณ์จำพวก Oscillator หรือ Magnetron เพื่อให้ได้คลื่นเรดาร์ที่มีกำลังสูงในการส่งออกไปตรวจจับเป้าหมาย

 

รูป ๖ Oscillator

 

 

รูป ๗  Magnetron

 Waveguide

ท่อนำคลื่น (Waveguide) เป็นส่วนประกอบที่นำคลื่นเรดาร์ที่ได้จาก Transmitter ไปส่งยังเสาอากาศ (Antenna) โดยทั่วไป Waveguide มีลักษณะเป็นท่อโลหะ ที่มีขนาดหน้าตัดภายในจำเพาะขึ้นอยู่กับความถี่ของเรดาร์ หากคลื่นเรดาร์มีความถี่สูง-ความยาวคลื่นต่ำ ขนาดของ Waveguide จะเล็กลง โดยขนาดของ Waveguide ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นที่ถูกส่งภายในท่อ การใช้ Waveguide ในระบบเรดาร์แทนสายลวดทองแดงเพราะมีประสิทธิภาพมากกว่า และมีการสูญเสียพลังงานที่น้อยกว่า

 

รูป ๘ Flexible Waveguide for J-Band Radar

 

รูป ๙ APG-68 Waveguide for F-16

 

Transmit/Receive Switch หรือ Duplexer

โดยทั่วไปแล้วระบบเรดาร์จะมีเสาอากาศเดียว (ยกเว้นระบบเรดาร์แบบ Bi-static) ซึ่งใช้งานร่วมกันทั้งภาครับ(Receiver: Rx) และภาคส่ง (Transmitter: Tx) ดังนั้นพลังงานจะต้องถูกนำไปในอุปกรณ์ในภาคต่าง ๆ อย่างถูกต้องในระหว่างการรับและการส่งสัญญาณที่เกิดขึ้นสลับกัน  เนื่องจากเหตุผลที่สำคัญ ๒ ประการ คือ

๑.  ทั้งภาครับและภาคส่งของระบบเรดาร์ใช้เสาอากาศร่วมกัน ในขณะที่ภาคส่งกำงานกับคลื่นเรดาร์ที่พลังงานสูงมากอยู่ในระดับ กิโลวัตต์ (kilowatt: kW) หรือ เมกะวัตต์(megawatt: MW) หากถูกนำหรือรั่วเข้าไปในภาครับที่มีความไวต่อสัญญาณ ซึ่งทำงานกับคลื่นที่มีพลังงานในระดับต่ำ (microwatt: µW) จะทำให้เกิดความเสียหายแก่ภาครับได้

๒.  สำหรับเป้าหมายที่อยู่ในระยะใกล้มาก ๆ ระบบเรดาร์ต้องป้องกันไม่ให้ภาครับรับสัญญาณที่สะท้อนกลับมาในขณะที่ภาคส่งกำลังทำงานอยู่ ไม่เช่นนั้นแล้วจำทำให้การแสดงภาพบริเวณจุดกำเนิด (Display Origin) สว่างขึ้นและไม่สามารถมองเห็นเป้าหมายได้

Duplexer ประกอบด้วยอุปกรณ์ ๒ ส่วนได้แก่ Circulator มีหน้าที่ในการนำทางพลังงานจาก Transmitter ไปยัง Antenna โดยกั้นสัญญาณไม่ให้เข้าไปยัง Receiver ในขณะส่งสัญญาณ และนำทางสัญญาณที่สะท้อนจาก Antenna ไปยัง Receiver โดยกั้นสัญญาณไม่ให้เข้าไปใน Transmitter ในขณะรับสัญญาณ

 

รูป ๑๐ X-band Duplexer for airborne environment

  Antenna

เสาอากาศ (Antenna) มีหน้าที่ในการรวมและกำหนดทิศทางของคลื่นเรดาร์ที่ถูกส่งออกไป โดยให้การสะท้อนทางกายภาพของจากเรดาร์ในแบบต่าง ๆ เช่น Parabolic, Parabolic Cylinder, Cassegrain, และ Planar Array เป็นต้น โดยเสาอากาศแบบต่างเหล่านั้นสามารถปรับรูปร่างของแนวคลื่น (Beam shape) ให้เป็นไปตามที่ต้องการทั้งภาครับและภาคส่ง ทั้งนี้สัญญาณเรดาร์จะต้องสแกนให้ครอบคลุมห้วงอากาศที่ต้องการตรวจจับเป้าหมาย สำหรับเทคนิคการสแกนมีหลายประเภทโดยวิธีการกลศาสตร์ (mechanical scan) และทางอิเล็กทรอนิกส์ (electrical scan) ดังนั้นรูปร่างและขนาดของเสาอากาศจะแตกต่างกันออกไปตามบทบาท และเทคโนโลยีของเรดาร์

 

รูป ๑๑ SA 3 with Low Blow Fire Control RADAR

 

รูป ๑๒ Side Net , Hight Finder RADAR for SA-3

 

 รูป ๑๓Flat Face or Squat Eyes, Search RADAR for SA-3

Receiver

ภาครับ (Receiver)ของเรดาร์ จะทำงานในลักษณะ Super-heterodyne Receiver จะทำหน้าที่ขยายสัญญาณเรดาร์ที่สะท้อนกลับมาให้มีพลังงานและความชัดเจนมากยิ่งขึ้น และใช้อุปกรณ์ผสมสัญญาณคลื่นเรดาร์ (Return RF signal) ที่ได้รับเข้ากับสัญญาณที่ได้จาก Local Oscillator เพื่อให้ได้เป็นสัญญาณของเป้าหมายเบื้องต้นเรียกว่า Intermediate Frequency (IF) signal และนำสัญญาณ IF ไปขยายเพื่อให้สามารถส่งไปแปลความในอุปกรณ์ Detector เพื่อให้ได้เป็นสัญญาณภาพ (Video signal) นำไปแสดงบนจอภาพ (Display)

 Display

จอแสดงภาพ (Display) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แสดงผลจากสัญญาณ Video ที่ได้รับจาก Receiver จะให้ข้อมูลตำแหน่งของเป้าหมาย ภูมิประเทศ หรือภูมิอากาศตามที่ระบบเรดาร์ได้ออกแบบไว้ ในปัจจุบันจอแสดงภาพของเรดาร์ส่วนใหญ่อยู่ในลักษณะ Plan Position Indicator (PPI) โดยสามารถสร้างให้แสดงร่วมกับแผนที่ได้ สัญญาณที่แสดงจะมี ๒ ลักษณะ คือ เป้าหมาย (Target) เป็นสัญญาณที่ต้องการตรวจจับ และ คลื่นรบกวน (Clutter) เป็นสัญญาณที่สะท้อนที่ไม่ต้องการ

 

รูป ๑๔ A Scope Display สำหรับเรดาร์ในยุคแรก

 

รูป ๑๕ PPI Display สำหรับเรดาร์ในปัจจุบัน