رادار الليزر Ladar system

1 مقدمة :
نجد أن التقنية المستخدم في رادارات الليزر هي نفسها التقنية المستخدمة في رادارات المايكرويف ، فنجد في رادارات الماكرويف أن النبضات الكهرومغناطسية يتم إرسالها ، و تستلم نبضات الصدى المنعكسة من الهدف و تسجل . أما في رادارات الليزر فترسل الطاقة الضوئية ذات الشدة العالية في شكل نبضات و ينعكس صداها الضوئي وتجمع .
على الرغم من أن تصميم رادار الليزر هو نفس تصميم المايكروويف إلا أن هناك بعض الإختلافات في المواصفات ، نجد أن الاختلاف الرئيس بين النظامين هو تركيب المرسل و المستقبل . يمتاز رادار الليزر بقابلية الفصل العالية في الزاوية و المسافة ، ويعزى ذلك إلى قلة الطول الموجي بدرجة كبيـرة مقارنة مع الرادارات العاملة في نطاق المايكروويف .
زيادة قابلية الفصل العالية بالمسافة ناتجة عن تقليل الطول الموجي بدرجة كبيرة و هذا يعني زيادة كبيرة في بالتردد العامل فإذا زاد التردد العامل يصبح بالإمكان توسيع النطاق الترددي وهذا يؤدي إلى زيادة قابلية الفصل بالمسافة .
2 معادلة الرادار :
إذا كان عرض الشعاع أكبر م الهدف فإنه يتطلب كشفه بقدرة تعطى بالعلاقة الآتية :
حيث أن :
Pt القرة المرسلة
Pr القدرة المستقبلة (w)
R مدى الهدف (m)
Gt عامل تكبير هوائي الإرسال
Aap مساحة هوائي الاستقبال (m2)
σRCS للهدف
Si معامل سماح الاتومسفير
ٍSr معامل سماح بصريات الرادار
نجد أن مساحة هوائي الاستقبال الفعالة تعطى بالعلاقة الآتية :
في حزم الأمواج الليزرية عادة لا يتم قياس معامل تكبير الهوائي وإنما عرض شعاع الهوائي و يعطى معامل تكبير الهوائي بالعلاقة الآتية :
حيث أن :
θT الزاوية المجسمة لعرض شعاع هوائي الإرسال
وبذلك تصبح علاقة القدرة المرسلة كما يلي :
أما في الاستقبال فنجد أقل قدرة متحسسة بعد إنعكاسها من الهدف تعطى بالعلاقة الآتية :
حيث أن :
ρn أقل عدد مطلوب من الإلكترونات الفوتونية
h ثابت بلانك
f الترد
η كفاءة الكاشف
τ زمن المراقبة ( عرض الإشارة)
3 مرسلات الليزر :
يستند مبدأ عمل الليزر على ظاهر الانبعاث المحفز ونجد أن الأنواع الرئيسة المستخدمة كمرسلات في رادار الليزر هي :
ليزر الحالة الصلبة ، ليزر الحالة الغازية ،ليزر الحالة شبه الموصلة .
4 ليزر الحالة الصلبة :
من الأنواع الواسعة الاستخدام في المرسلات هو ليزر الياقوت وهو أحد أنواع ليزر الحالة الصلبة ، ونجد أن مولد الليزر في هذه الحالة غالباً ما يعمل في النظام النبضي . الجزء الفعال هو الكريستال أو مادة زجاجية ويتم إضافة شوائب إليها لزيادة نسبة الفعالية مثل أيونات الكروم والنيدميوم .
نجد أن ليزر الياقوت هو من الأجهزة ثلاثية المستويات وفي هذه الحالة ينطبق المستوى النهائي مع المستوى الأرضي و الشكل التالي يوضح جهاز توليد الليزر في مرسل يستخدم الياقوت :
الشكل رقم ( 2 - 1)عندما تسلط فولتية عالية عل المكثف C2 و الملف الخانق و تمر عبر طرفي الشمعة التي لا تتوهج الإ بعد مرور نبضة عبر الملف L الذي يحيط بالشمعة ، ويتم توليد هذه النبضة في المكثف C1 الذي يستحث من مصدر الفولتية الثابت الأول وذلك عندما يكون المفتاح في
الوضع 1 ويتم إفراغ الشحنة بوضع المفتاح في الوضع 2 .
عندما تتوهج الشمعة فإنها تشع ضوء الذي يضخ طاقتة في الياقوت و يتولد إشعاع محفز الذي ينعكس جزئياً بواسطة المرآة غير الشفافة وكلياً بواسطة المرآة الخلفية العاكسة إلى هوائي الإرسال .هناك كثير من ليزرات الحالة الصلبة لها كفاءة عالية و لكن يستخدم الياقوت بكثرة لأن شعاعه ذو لون أحمر وهنالك كواشف جيدة له ، كما يعمل ليزر الياقوت في درجة حرارة الغرفة ، كما يمتاز بسهولة الصناعة وأنواعه جيدة و الطاقة الخارجة منه عدة مئات من الجولات.
5 ليزر الحالة الغازية :
تمتاز الليرات الغازية بالتشاكه الجيد أفضل مما هو عليه في ليزر الحالة الصلبة ، و تعمل في نطاق الأمواج (3.37μm - 0.25μm) يحدث التهييج نتيجة تفريغ الغاز و ينتج هذا بواسطة الضخ الضوئي ، وكذلك يمكن أن نحصل على التفريغ عند تسليط فولتية ثابتة أو تيار متناوب إلى الكترودات واقعة داخل الغاز ويمكن للتفريغ أن يحدث بواسطة تردد عالي يدخل إلى الغاز بواسطة إلكترودات خارجية أو بالاتصال الحثي .و في النظام النبضي يمكن الحصول على نبضات بقدرة عالية أو متوسطة . و من الليزرات التي تعمل فقط في النظام النبضي هو الليزر باستخدام جزئيات النتروجين (N2) الذي يعمل في نطاق الأطوال الموجية من 1.23um ، كما نجد ليزرات بخار الزئبق (Hg+) المتأين الـذي يعمـل في النطاق (1.8 - 0.57) μm .
الرسم التالي يوضح مخطط لأحد أنواع الليزرات الغازية (خليط من الهليوم والنيون) :
الشكل رقم ( 2 - 2 )نجد أن التوزيع العكسي في مستويات الطاقة العليا يحدث نتيجة التفريغ بالغاز عند تسليط فولتية عالية بين الأنود والكاثود و لوجود التوزيع العكسي تظهر عملية تذبذب بين المرآتين ، يخرج جزء من الشعاع المحفز على شكل حزمة من خلال المرآة النصف شفافة .
يحتوي الأنبوب الزجاجي المحتوي على الغاز على حافتين مائلتين بزاوية Ө)) بغرض جعل الإشعاع الخارج ذو استقطاب موازي للمستوى الأفقي ، ونجد أن الضخ يتحقق بالتفريغ الكهربائي لمزيج الهليوم و النيون بحيث يكون ضغط الهليوم والنيون قليل ، و أثناء عملية التفريغ تحث مكونات الهليوم على طاقة في المستويات الثاني والثالث ، ويتم نقل الطاقة إلى عناصر النيون بواسطة تصادم جزيئات الهليوم والنيون الذي يمتلك مستويات طاقة أكثر مما يمكن الحصول عليه من الانبعاث المحفز بثلاث أطوال موجية .
يعتبر ليزر الهليوم نيون من الليزرات الواطئة القدرة والكفاءة ، ولكنه يولد ضوء ذو تتشاكه عالي في النطاق الضوئي و تحت الحمراء . توجد أنواع أخر من الليزر الغازي مثل ليزر الأركون المتأين و ليزر ثاني اوكسيد الكربون الذي يمتاز بالقدرة العالية ويمكن أن تصل قدرة النبضة الى 100kw .
6 ليزر أشباه الموصلات :
من الأنواع الواسعة الاستخدام هو ليزر ارسنيد الجاليوم Ga As . عند الليزر شبه الموصل يرافقه تحرير طاقة حرارية عالية لذلك يتم وضع ليزر شبة الموصل في معدة خاصة بسبب إنبعاث الحرارة الزائدة . هذا النوع يمكن أن يؤمن أكثر من 1W في النظام المستمر بـدرجة حرارة 77Kْ ومئات الواطات في النظام النبضي بدرجة حرارة الغرفة أو بدرجة 77Kْ .
بتغير درجة الحرارة يتغير الطول الموجي في النطاق (300K-60K) ، و يكون التغيـر بمقدار 0.25nm/K ، وعند هبوط درجة الحرارة يكون التغير في الطول الموجي أقل ، أما عندما تصبح درجة الحرارة أقل من 20K يكون التغير غير ملحوظ عرض الشعاع الخـارج في مستوى الممر p-n حوالي 5ْ و في المستوى العمودي لذلك الممر يساوي 20 - 40ْ .
7 تأثير الاتموسفير :
تعانـي أشعة الليزر عند مرورها عبر الاتموسفير من الامتصاص و التشتت كذلك سوء الترابط . و تأثيره في النطاق الضوئي أكبر من تأثيره في نطاق المايكروويف و ذلك
لأن الأطـوال الموجية في النطاق الضوئي أقل بكثير من الأطوال الموجية في نطاق المايكروويف ، نجد أن بخار الماء وثاني اوكسيد الكربون CO2 يمتصان بدرجة كبيرة في نطاق الطيف المرئي و تحت الحمراء ، و تحصل خسارة و تشتت الأشعة من الجزيئات لنطاق واسع من الأطوال الموجية أكثر الجزيئات إنتشاراً هي المطر و الضباب و الغبار .
الرسم يوضح كيفية تغير معامل السماحية :
8 خواص الأهداف للرادار الليزري :
عند تصميم الرادار الليزري من الضروري دراسة خواص الهدف ، وهي أبعاد الهدف مقارنة مع عرض الشعاع الراداري و شكل سطح الهدف و التعاريج و ثابت العازلية و التوصيلية و عرض النبضة و تكور جبهة الموجة . خواص الأهداف تعتمد كثيراً على الطول الموجي . إذا كان الهدف معقد مثل طائرة أو دبابة أو جزء من سطح الأرض حيث أبعاد الهدف أكبر من أبعاد الشعاع الليزري فإن الخواص الانعكاسية تتغير أثناء المسح بالشعاع بين الخاصية الانتشارية و الخاصية المرآوية .
مساحة المقطع العرضي للهدف RCS يتم إيجادها في النطاق الضوئي كما في رادار المايكروويف بالعلاقة الآتية :
σ= r GAحيث أن
r انعكاسية السطح
G كسب الهدف
A مسقط المساحة الفزيايئة
أحد العواكس الأكثر استخداماً هو العاكس الزاوي و تكون RCS كما في رادار المايكروويف كما في العلاقة الآتية :
σ= 4π/λ2* d4/3حيث أن
d طول حافة الانعكاس
مثلاً إذا كان :
d=3cm و λ= 1 m sec فإن :
σ= 3 * 106 m2في نطاق الأمواج الضوئية تكون الأهداف المعقدة مثل طائرة ذات خواص قريبة من الخواص المرآوية .
منقول للفائدة ...