اساس کار رادار ها

[mohamad.s]

اساس کار رادار ها

امواج رادار چيزي است كه در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه ديده نمي‏شود. مركز كنترل ترافيك فرودگاهها براي رديابي هواپيماها چه آنها كه بر روي باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها كه در حال پرواز هستند و هدايت آنها از رادار استفاده مي‏كنند. در برخي از كشورها پليس از رادار براي شناسايي خودروهاي با سرعت غير مجاز استفاده مي‏‏كند. ناسا از رادار براي شناسايي موقعيت كرة زمين و ديگر سيارات استفاده مي‏كند، همين طور براي دنبال كردن مسير ماهواره‏ها و فضاپيماها و براي كمك به كشتي‏ها در دريا و مانورهاي رزمي از آن استفاده مي‏شود. مراكز نظامي نيز براي شناسايي دشمن و يا هدايت جنگ‏افزارهايشان از آن استفاده مي‏كنند مركز كنترل ترافيك فرودگاهها براي رديابي هواپيماها چه آنها كه بر روي باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها كه در حال پرواز هستند و هدايت آنها از رادار استفاده مي‏كنند. در برخي از كشورها پليس از رادار براي شناساييخودروهاي با سرعت غير مجاز استفاده مي‏‏كند. ناسا از رادار براي شناسايي موقعيت كرةزمين و ديگر سيارات استفاده مي‏كند، همين طور براي دنبال كردن مسير ماهواره‏ها وفضاپيماها و براي كمك به كشتي‏ها در دريا و مانورهاي رزمي از آن استفاده مي‏شود. مراكز نظامي نيز براي شناسايي دشمن و يا هدايت جنگ‏افزارهايشان از آن استفاده مي‏كنند. هواشناسان براي شناسايي طوفانها،تندبادهاي دريايي و گردبادها از آن استفاده مي‏برند. شما حتي نوعي خاص از رادار رادر مدخل ورودي فروشگاهها مي‏بينيد كه در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، دربرا باز مي‏كنند. بطور واضح مي‏بينيد كه رادار وسيله‏اي بسيار كاربردي مي‏باشد. دراين بخش از مقالات ما به اسرار رادار مي‏پردازيم. استفاده از رادار عموماً در راستاي سه هدف زير مي‏باشد: شناسايي حضور ياعدم حضور يك جسم در فاصله‏اي مشخص – عمدتاً آنچه كه شناسايي مي‏شود متحرك است و مانند هواپيما، اما رادار قادر به شناسايي حضور اجسام كه مثلاً در زيرزمين نيز مدفون شده‏اند، مي‏باشد. در بعضي از موارد حتي رادار مي‏تواند ماهيت آنچه را كهمي‏يابد مشخص كند، مثلاً نوع هواپيمايي كه شناسايي مي‏كند. شناسايي سرعت آن جسم- دقيقاً همان هدفي كه پليس از آن در بزرگراه‌ها براي كنترل سرعت خودروهااز آن استفاده مي‏كند. جابه‌جايي اجسام – شاتل‏هاي فضايي و ماهواره‏هاي دوار بر دور كره زمين از چيزي به عنوان رادار حفره‏هاي مجازي براي تهيه نقشه جزئيات، نقشه‏هاي عوارض جغرافيايي سطح ماه و ديگر سيارات استفاده مي‏كنند. تمام اين سه عمليات مي‏تواند با دو پديده‏اي كه شما در زندگي روزمره با آن آشنائيد پياده شود: «پژواك» و «پديده داپلر» اين دو پديده به سادگي قابل فهم مي‏باشند، چرا كه هر روزه شما با آنها در حوزه شنوايي خويش برخورداريد. رادار از اين دو پديده در حوزة امواج راديويي استفادهمي‏برد. بگذاريد ابتدا با اين پديده در حوزه شنيداري يا صوتي خويش بيشتر آشنا شويم. پژواك و پديده داپلر پژواك پديده‏اي است كه شما هر روزه با آن برخورد داريد، اگرشما به داخل يك چاه و يا در يك دره فرياد بزنيد، پژواك صداي شما چند لحظه بعد به گوشتان مي‏رسد. در واقع شما صدايتان را باز خواهيد شنيد. پژواك بدين جهت رخ مي‏دهدكه بعضي از امواج صداي شما (به اين دليل واژه بعضي را آورديم كه صداي برخي ازحيوانات مانند اردك در فركانس خاص امواج صداي اين حيوان هيچگاه پژواكي ندارد) پس ازبرخورد به يك سطح (كه اين سطح مي‏تواند سطح آب، انتهاي چاه يا ديوارة كوه موجود درانتهاي دره باشد) به سمت شما باز مي‏گردد و گوش شما دوباره آن را مي‏شنود. فاصله زماني‌اي كه بين فرياد شما تا شنيدن پژواك آن طول مي‏كشد با فاصله مكاني بين شما وآن سطح بازگردانندة پژواك ارتباط دارد. هنگامي كه شما به داخل يك چاه فرياد مي‏كشيد، صداي شما از دهانة چاه به سمت انتهاي چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهاي چاه منعكس مي‏شود. در اين حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقيق بدانيد، با اندازه‏گيري زمان رفت‏وبرگشت صدا مي‏توانيد عمق چاه را حساب كنيد پديدة داپلر نيز بسيار معمول است. شماهر روز (بدون اينكه حتي از آن دركي داشته باشيد) آن را تجربه مي‏كنيد. اين پديده زماني رخ مي‏دهد كه يك مولد امواج صوتي و يا منعكس كننده امواج صوتي داراي حركت باشد. مثلاً يك خودرو كه در حال بوق زدن است. حالت تشديد شدة پديدة داپلر در شكستن «ديوار صوتي» رخ مي‏دهد. در اين جا به درك اين پديده مي‏پردازيم (ممكن است شما براي اينكه بهتر اين پديده را درك كنيد كنار يك اتوبان آن را تجربه كنيد) فرض كنيد كه خودرويي با سرعت 100 كيلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حركت باشد. تازماني‌كه خودرو در حال نزديك شدن به شماست فقط يك نت صوتي را مي‏شنويد (در واقع يك فركانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فركانس صحبت كرديم)، اما هنگامي كه خودرو به كنار شما مي‏رسد صداي بوق ناگهان تغيير كرده و به عبارتي «بم» تر مي‏شود و بعد ازلحظه‏اي كه از شما عبور كرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدابم‏تر نيز مي‏شود، در صورتي كه شما مي‏دانيد كه صداي بوق هميشه ثابت است، كما اين كه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعي بوق را مي‏شنود. اين تغييرات صوت شنيده شده توسط شما بوسيلة پديدة داپلر قابل توضيح است. اما آنچه كه رخ مي‏دهد: «سرعت صوت» مقداري ثابت است، براي ساده‏تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را 1000كيلومتردر ساعت در نظر بگيريد. (سرعت واقعي صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض كنيد كه خودرويي در فاصله يك كيلومتري شما قرار دارد (بصورت غير متحرك). راننده داخل خودرو به مدت يك دقيقه شستي بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، اين صدا باسرعتي برابر با 1000كيلومتر بر ساعت به سمت شما حركت مي‏كند، بعد از 6 ثانيه ازفشرده شدن شستي بوق توسط راننده، شما چه صدايي را خواهيد شنيد؟ (اين 6 ثانيه درواقع مدت زماني است كه طول مي‏كشد صدا به شما برسد) و به مدت يك دقيقه پس از آن چه مي‏شنويد؟ مسلماً صداي بوق را بدون هيچ تغييري. پديده داپلر: شخص پشت سر خودرويي را با بسامدي (فركانس) پايين‏تر و بم‏تر از آنچه كه راننده داخل خودرو و در حال حركت مي‏شنود. راننده از شخصي كه خودرو به سمت آن درحال حركت است صدا را با نت پايين‏تر مي‏شنود. حال فرض كنيد خودرو از فاصله‏اي دور باسرعتي معادل 100 كيلومتر بر ساعت به سمت شما حركت كند، همان راننده با همان خودرو وبا همان صداي بوق و به مدت همان يك دقيقه شستي بوق را فشارمي‌دهد مي‏شود. جالب است! شما صداي بوق را فقط به مدت 54 ثانيه خواهيد شنيد آن هم به خاطر حركت خودرو رخ دادهاست. در واقع تعداد اعوجاجهاي موج صوتي ثابت بوده ولي در زمان كوتاه‏تري به سمت شما آمده و از آنجائي‌كه تعريف فركانس تعدادنوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً اين نوسانات را 1 بر 60 ثانيه تقسيم‏كرديم و فركانس f1 بدست مي‏آمد، حال بايد اين تعداد نوسانات را بر 54 تقسيم كنيم كه مطمئناً عددي بزرگتر خواهد شد. اين عدد بزرگتر يا فركانس بالاتر يعني صداي «زير»تر. همين توجيه نيز براي خودرويي كه از شما وجود دارد، در اين حالت شما 64ثانيه صداي بوق را مي‏شنويد كه فركانس حاصله در اين حالت كمتر (يا صداي بم‏تر) خواهد بود. شكستن ديوارصوتي اينك كه ما در حال بحث بر روي رابط صداو سرعت هستيم مي‏توانيم در مورد شكستن ديوار صوتي هم صحبت كنيم. فرض كنيد آن خودرويي كه صحبتش بود با سرعتي معادل 100 كيلومتر در ساعت به‌ سوي شما، آن هم درحال بوق زدن، حركت كند، امواج صوتي چون سرعتي معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذا نه از آن جلو زده و نه عقب مي‏مانند، لذا در كل مدت حركت خودرو شما صدايي رانخواهيد شنيد. اما در لحظه‏اي كه خودرو به شما مي‏رسد، تمام امواج صوتي جمع شده ويك جا شما آنها را مي‏شنويد. صداي بسيار بلند و با فركانس بسيار بالا. اين صدا توسط هواپيمايي كه قادرند باسرعتي معادل با سرعت صوت حركت كنند مي‏تواند موجبات وحشت بسياري از افرادي كه درزير مسير اين هواپيما قرار دارند بوجود آورده قدرت اين صدا به قدري است كه مي‏تواندشيشه‏ها را بشكند. چنين اتفاقي براي قايقها نيز رخ مي‏دهد. منتهي در اين ميان تجمع امواج آب كه سرعتي در حدود سرعت اين قايقها دارند. اين موجمتمركز بصورت v شكل از جلو قايق به طرفين حركت مي‏كند كه زاويه اين موج توسط سرعت قايق كنترل مي‏شود. در واقع تجمع امواجي كه قايق در هر لحظه توليد مي‏كند و هر لحظه بر آن مي‏افزايد نيز توسط پديده داپلر قابل توضيح است. شما مي‏توانيد با استفاده از تركيبي از پژواك و پديده داپلر بصورتي كه در زير مي‏آيد استفاده كنيد در محلي كه ايستاده‏ايدبه سمت خودرويي كه در حال حركت (به سمت شما يا در خلاف جهت) اصواتي را بفرستيد. بعضي از اين اصوات پس از برخورد با خودرو به سمت شما باز مي‏گردند. (پژواك) ازآنجايي كه خودرو در حال حركت است لذا اصوات منعكس شده يا به هم فشرده مي‏شوند (درحالي كه خودرو به سمت شما مي‏آيد) و يا از هم باز مي‏شوند. در حالت حركت مخالف درهر دو صورت شما مي‏توانيد با مقايسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدست آوريد. مفهوم رادار: ديديم كه مي‏توان با استفاده از مفهوم پژواك به فاصله اجسام دور پي برد و همين طور با استفاده از تغيير پديده داپلر به سرعت اين جسم پي ببريم. با توجه به اين مفاهيم مي‏توان فهميد كه رادار صوتي چيست؟اين گونه رادار در زيردريايي‏ها و كشتي‏ها كاربرد دارد و هميشه در حال كار است. مي‏توان از رادار صوتي در محيط آزاد نيز استفاده كرد، اما بخاطر چند اشكال ريز اينگونه رادار در هوا استفاده نمي‏شود. - صدا در هوا مسافت زيادي را نمي‏تواندبپيمايد…. شايد در حدود 5/1 كيلومتر و يا كمي بيشتر - هركسي مي‏تواند صدا را بشنود لذااستفاده از صدا در محيط آزاد موجب آزار ديگران مي‏شود كه البته مي‏توان با بالابردن فركانس صداي مورد استفاده و استفاده از امواج «فراصوت» اين مشكل را حل كرد. - صداي منعكس شده حاصل از پديده پژواك بسيار ضعيف مي‏باشد به طوري كه دريافت آن بسيار سخت است. سمت چپ: آنتن هاي مجموعه مخابراتي فضايي گلدستون (بخشي از شبكه ارتباطي فضايي ناسا) كه به ارتباطات مخابراتي راديويي فضاپيماهاي ميان سياره‏اي ناسا كمك مي‏كند. سمت راست: رادار جست وجوي سطح و هوا كه بر روي نوك دكل يك موشك هدايت شونده قرار گرفته است. حال بياييد در مورد يك نمونه واقعي راداري كه براي شناسايي هواپيماهاي در حال پرواز بكار مي‏رود صحبت كنيم. سيستم رادار در ابتدا با روشن كردن فرستنده قوي‏اش يك دسته موج راديويي متراكم در آسمان ودر جهات مختلف پخش مي‏كند. اين ارسال براي چند ميكروثانيه صورت مي‏پذيرد، حال فرستنده خاموش شده و گيرنده سيستم رادار مترصد دريافت پژواك امواج كه به همراه اطلاعات حاصل از پديده داپلر نيز هستند مي‏ماند. امواج راديويي با سرعتي معادل سرعت نورحركت مي‏كنند، تقريباً در هر ميكروثانيه 300 متر را در فضا طي مي‏كنند؛ حال اگرسيستم رادار مذكور داراي يك ساعت بسيار دقيق و قوي باشد، مي‏تواند با دقت بسياربالايي موقعيت هواپيما را مشخص كند، با استفاده از روشهاي خاص پردازش سيگنال براي تحليل پديده داپلر بر روي موجهاي برگشتي مي‏توان به دقت سرعت هواپيما را مشخص كرد. آنتن رادار يك دسته كوچك اما قدرتمندپالس امواج راديويي از يك فركانس مشخص را در فضا مي‏فرستند. هنگامي كه امواج به يك جسم برخورد مي‏كنند منعكس شده و در اثر پديده داپلر فشرده‏تر يا گسسته‏تر مي‏شوند. همان آنتن وظيفه دريافت امواج منعكس شده را كه البته بسيار كمتر از امواج ارسالي هستند بر عهده دارد. در رادارهاي زميني قضيه خيلي پيچيده‏تراز رادارهاي هوايي است، هنگامي كه يك رادار پليس به ارسال پالس موج راديويي مي‏پردازد بخاطر وجود اجسام بسيار در سر راهش مانند نرده‏ها، پلها، تپه‏ها وساختمانها پژواكهاي بسياري را دريافت مي‏دارد، اما از آنجايي كه تمام اين اجسام ثابت هستند به جزء خودروها مورد نظر، لذا سيستم رادار خودروهاي پليس از ميان امواج منعكس شده، فقط آنهايي را انتخاب مي‏كند كه در آنها پديده داپلر قابل شناسايي است،آن هم به اندازه‏‏اي كه جسم متحرك اضافه سرعت داشته باشد، در ضمن آنتن اين رادارهابسيار دهانه تنگي دارند، چرا كه فقط بر روي يك خودرو تنظيم مي‏شوند. البته امروزه پليسها در برخي كشورها از جمله كشور خودمان از تكنولوژي ليزر براي تعيين سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده مي‏كنند. تكنولوژي به نام «ليدار» شناخته مي‏شود. در اين مدل بجاي امواج راديويي از اشعه نوري متمركز (يا همان ليزر) استفاده مي‏شود