رادار چگونه کار می کند ؟
امواج رادار چیزی است که در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه دیده نمیشود. مرکز کنترل ترافیک فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چه آنها که بر روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها که در حال پرواز هستند و هدایت آنها از رادار استفاده میکنند. در برخی از کشورها پلیس از رادار برای شناسایی خودروهای با سرعت غیر مجاز استفاده میکند. ناسا از رادار برای شناسایی موقعیت کرة زمین و دیگر سیارات استفاده میکند، همین طور برای دنبال کردن مسیر ماهوارهها و فضاپیماها و برای کمک به کشتیها در دریا و مانورهای رزمی از آن استفاده میشود. مراکز نظامی نیز برای شناسایی دشمن و یا هدایت جنگافزارهایشان از آن استفاده میکنند.
هواشناسان برای شناسایی طوفانها، تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده میبرند. شما حتی نوعی خاص از رادار را در مدخل ورودی فروشگاهها میبینید که در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز میکنند. بطور واضح میبینید که رادار وسیلهای بسیار کاربردی میباشد. در این بخش از مقالات ما به اسرار رادار میپردازیم.
استفاده از رادار عموماً در راستای سه هدف زیر میباشد:
شناسایی حضور یا عدم حضور یک جسم در فاصلهای مشخص – عمدتاً آنچه که شناسایی میشود متحرک است و مانند هواپیما، اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسام که مثلاً در زیرزمین نیز مدفون شدهاند، میباشد. در بعضی از موارد حتی رادار میتواند ماهیت آنچه را که مییابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپیمایی که شناسایی میکند.
شناسایی سرعت آن جسم- دقیقاً همان هدفی که پلیس از آن در بزرگراهها برای کنترل سرعت خودروها از آن استفاده میکند.
جابه‌جایی اجسام – شاتلهای فضایی و ماهوارههای دوار بر دور کره زمین از چیزی به عنوان رادار حفرههای مجازی برای تهیه نقشه جزئیات، نقشههای عوارض جغرافیایی سطح ماه و دیگر سیارات استفاده میکنند.
تمام این سه عملیات میتواند با دو پدیدهای که شما در زندگی روزمره با آن آشنائید پیاده شود: «پژواک» و «پدیده داپلر» این دو پدیده به سادگی قابل فهم میباشند، چرا که هر روزه شما با آنها در حوزه شنوایی خویش برخوردارید. رادار از این دو پدیده در حوزة امواج رادیویی استفاده میبرد.
بگذارید ابتدا با این پدیده در حوزه شنیداری یا صوتی خویش بیشتر آشنا شویم.
پژواک و پدیده داپلر
پژواک پدیدهای است که شما هر روزه با آن برخورد دارید، اگر شما به داخل یک چاه و یا در یک دره فریاد بزنید، پژواک صدای شما چند لحظه بعد به گوشتان میرسد. در واقع شما صدایتان را باز خواهید شنید. پژواک بدین جهت رخ میدهد که بعضی از امواج صدای شما (به این دلیل واژه بعضی را آوردیم که صدای برخی از حیوانات مانند اردک در فرکانس خاص امواج صدای این حیوان هیچگاه پژواکی ندارد) پس از برخورد به یک سطح (که این سطح میتواند سطح آب، انتهای چاه یا دیوارة کوه موجود در انتهای دره باشد) به سمت شما باز میگردد و گوش شما دوباره آنرا میشنود. فاصله زمانی‌ای که بین فریاد شما تا شنیدن پژواک آن طول میکشد با فاصله مکانی بین شما و آن سطح بازگردانندة پژواک ارتباط دارد.
هنگامی که شما به داخل یک چاه فریاد میکشید، صدای شما از دهانة چاه به سمت انتهای چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهای چاه منعکس میشود. در این حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقیق بدانید، با اندازهگیری زمان رفتوبرگشت صدا میتوانید عمق چاه را حساب کنید.
پدیدة داپلر نیز بسیار معمول است. شما هر روز (بدون اینکه حتی از آن درکی داشته باشید) آن را تجربه میکنید. این پدیده زمانی رخ میدهد که یک مولد امواج صوتی و یا منعکس کننده امواج صوتی دارای حرکت باشد. مثلاً یک خودرو که در حال بوق زدن است. حالت تشدید شدة پدیدة داپلر در شکستن «دیوار صوتی» رخ میدهد. در این جا به درک این پدیده میپردازیم (ممکن است شما برای اینکه بهتر این پدیده را درک کنید کنار یک اتوبان آن را تجربه کنید) فرض کنید که خودرویی با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حرکت باشد. تا زمانی‌که خودرو در حال نزدیک شدن به شماست فقط یک نت صوتی را میشنوید (در واقع یک فرکانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فرکانس صحبت کردیم)، اما هنگامی که خودرو به کنار شما میرسد صدای بوق ناگهان تغییر کرده و به عبارتی «بم» تر میشود و بعد از لحظهای که از شما عبور کرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بمتر نیز میشود، در صورتی که شما میدانید که صدای بوق همیشه ثابت است، کما اینکه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعی بوق را میشنود. این تغییرات صوت شنیده شده توسط شما بوسیلة پدیدة داپلر قابل توضیح است. اما آنچه که رخ میدهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای سادهتر شدن محاسباتمان سرعت صورت را 1000کیلومتر در ساعت در نظر بگیرید. (سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض کنید که خودرویی در فاصله یک کیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیر متحرک). راننده داخل خودرو به مدت یک دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با 1000کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت میکند، بعد از 6 ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این 6 ثانیه در واقع مدت زمانی است که طول میکشد صدا به شما برسد) و به مدت یک دقیقه پس از آن چه میشنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.
پدیده داپلر: شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فرکانس) پایینتر و بمتر از آنچه که راننده داخل خودرو و در حال حرکت میشنود. راننده از شخصی که خودرو به سمت آن در حال حرکت است صدا را با نت پایینتر میشنود.
حال فرض کنید خودرو از فاصلهای دور با سرعتی معادل 100 کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت کند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و به مدت همان یک دقیقه شستی بوق را فشارمی‌دهد میشود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت 54 ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حرکت خودرو رخ داده است.
در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان کوتاهتری به سمت شما آمده و از آنجائی‌که تعریف فرکانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را 1 بر 60 ثانیه تقسیم کردیم و فرکانس f1 بدست میآمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر 54 تقسیم کنیم که مطمئناً عددی بزرگتر خواهد شد. این عدد بزرگتر یا فرکانس بالاتر یعنی صدای «زیر»تر. همین توجیه نیز برای خودرویی که از شما وجود دارد، در این حالت شما 64 ثانیه صدای بوق را میشنوید که فرکانس حاصله در این حالت کمتر (یا صدای بمتر) خواهد بود.
شکستن دیوار صوتی
اینک که ما در حال بحث بر روی رابط صدا و سرعت هستیم میتوانیم در مورد شکستن دیوار صوتی هم صحبت کنیم. فرض کنید آن خودرویی که صحبتش بود با سرعتی معادل 100 کیلومتر در ساعت به سوی شما، آن هم در حال بوق زدن، حرکت کند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذا نه از آن جلو زده و نه عقب میمانند، لذا در کل مدت حرکت خودرو شما صدایی را نخواهید شنید. اما در لحظهای که خودرو به شما میرسد، تمام امواج صوتی جمع شده و یکجا شما آنها را میشنوید. صدای بسیار بلند و با فرکانس بسیار بالا.
این صدا توسط هواپیمایی که قادرند با سرعتی معادل با سرعت صوت حرکت کنند میتواند موجبات وحشت بسیاری از افرادی که در زیر مسیر این هواپیما قرار دارند بوجود آورده قدرت این صدا به قدری است که میتواند شیشهها را بشکند.
چنین اتفاقی برای قایقها نیز رخ میدهد. منتهی در این میان تجمع امواج آب که سرعتی در حدود سرعت این قایقها دارند. این موج متمرکز بصورت v شکل از جلو قایق به طرفین حرکت میکند که زاویه این موج توسط سرعت قایق کنترل میشود. در واقع تجمع امواجی که قایق در هر لحظه تولید میکند و هر لحظه بر آن میافزاید نیز توسط پدیده داپلر قابل توضیح است.
شما میتوانید با استفاده از ترکیبی از پژواک و پدیده داپلر بصورتی که در زیر میآید استفاده کنید. در محلی که ایستادهاید به سمت خودرویی که در حال حرکت (به سمت شما یا در خلاف جهت) اصواتی را بفرستید. بعضی از این اصوات پس از برخورد با خودرو به سمت شما باز میگردند. (پژواک) از آنجایی که خودرو در حال حرکت است لذا اصوات منعکس شده یا به هم فشرده میشوند (در حالی که خودرو به سمت شما میآید) و یا از هم باز میشوند. در حالت حرکت مخالف در هر دو صورت شما میتوانید با مقایسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدست آورید.
مفهوم رادار:
دیدیم که میتوان با استفاده از مفهوم پژواک به فاصله اجسام دور پی برد و همین طور با استفاده از تغییر پدیده داپلر به سرعت این جسم پی ببریم. با توجه به این مفاهیم میتوان فهمید که رادار صوتی چیست؟ این گونه رادار در زیردریاییها و کشتیها کاربرد دارد و همیشه در حال کار است. میتوان از رادار صوتی در محیط آزاد نیز استفاده کرد، اما بخاطر چند اشکال ریز این گونه رادار در هوا استفاده نمیشود.
- صدا در هوا مسافت زیادی را نمیتواند بپیماید…. شاید در حدود 5/1 کیلومتر و یا کمی بیشتر
- هرکسی میتواند صدا را بشنود لذا استفاده از صدا در محیط آزاد موجب آزار دیگران میشود که البته میتوان با بالا بردن فرکانس صدای مورد استفاده و استفاده از امواج «فراصوت» این مشکل را حل کرد.
- صدای منعکس شده حاصل از پدیده پژواک بسیار ضعیف میباشد به طوری که دریافت آن بسیار سخت است.
سمت چپ: آنتن های مجموعه مخابراتی فضایی گلدستون (بخشی از شبکه ارتباطی فضایی ناسا) که به ارتباطات مخابراتی رادیویی فضاپیماهای میان سیارهای ناسا کمک میکند.
سمت راست: رادار جست وجوی سطح و هوا که بر روی نوک دکل یک موشک هدایت شونده قرار گرفته است.
حال بیایید در مورد یک نمونه واقعی راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار میرود صحبت کنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن کردن فرستنده قویاش یک دسته موج رادیویی متراکم در آسمان و در جهات مختلف پخش میکند. این ارسال برای چند میکروثانیه صورت میپذیرد، حال فرستنده خاموش شده و گیرنده سیستم رادار مترصد دریافت پژواک امواج که به همراه اطلاعات حاصل از پدیده داپلر نیز هستند میماند.
امواج رادیویی با سرعتی معادل سرعت نور حرکت میکنند، تقریباً در هر میکروثانیه 300 متر را در فضا طی میکنند؛ حال اگر سیستم رادار مذکور دارای یک ساعت بسیار دقیق و قوی باشد، میتواند با دقت بسیار بالایی موقعیت هواپیما را مشخص کند، با استفاده از روشهای خاص پردازش سیگنال برای تحلیل پدیده داپلر بر روی موجهای برگشتی میتوان به دقت سرعت هواپیما را مشخص کرد.
آنتن رادار یک دسته کوچک اما قدرتمند پالس امواج رادیویی از یک فرکانس مشخص را در فضا میفرستند. هنگامی که امواج به یک جسم برخورد میکنند منعکس شده و در اثر پدیده داپلر فشردهتر یا گسستهتر میشوند. همان آنتن وظیفه دریافت امواج منعکس شده را که البته بسیار کمتر از امواج ارسالی هستند بر عهده دارد.
در رادارهای زمینی قضیه خیلی پیچیدهتر از رادارهای هوایی است، هنگامی که یک رادار پلیس به ارسال پالس موج رادیویی میپردازد بخاطر وجود اجسام بسیار در سر راهش مانند نردهها، پلها، تپهها و ساختمانها پژواکهای بسیاری را دریافت میدارد، اما از آنجایی که تمام این اجسام ثابت هستند به جزء خودروها مورد نظر، لذا سیستم رادار خودروهای پلیس از میان امواج منعکس شده، فقط آنهایی را انتخاب میکند که در آنها پدیده داپلر قابل شناسایی است، آن هم به اندازهای که جسم متحرک اضافه سرعت داشته باشد، در ضمن آنتن این رادارها بسیار دهانه تنگی دارند، چرا که فقط بر روی یک خودرو تنظیم میشوند.
البته امروزه پلیسها در برخی کشورها از جمله کشور خودمان از تکنولوژی لیزر برای تعیین سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده میکنند. تکنولوژی به نام «لیدار» شناخته میشود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمرکز (یا همان لیزر) استفاده میشود.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)