اساس کار رادارها
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
چیزی است که در تمام اطراف ما وجوددارد، اگر چه دیده نمیشود. مرکز کنترل ترافیک فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چهآنها که بر روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها که در حال پرواز هستند و هدایتآنها از رادار استفاده میکنند. در برخی از کشورها پلیس از رادار برای شناساییخودروهای با سرعت غیر مجاز استفاده میکند. ناسا از رادار برای شناسایی موقعیت کرةزمین و دیگر سیارات استفاده میکند، همین طور برای دنبال کردن مسیر ماهوارهها وفضاپیماها 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 استفادهمیکنند.
هواشناسان برای شناسایی طوفانها،تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده میبرند. شما حتی نوعی خاص از رادار رادر مدخل ورودی فروشگاهها میبینید که در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، دربرا باز میکنند. بطور واضح میبینید که رادار وسیلهای بسیار کاربردی میباشد. دراین بخش از مقالات ما به اسرار رادار میپردازیم.
استفاده از رادار عموماً در راستای سه هدف زیر میباشد:
شناسایی حضور یاعدم حضور یک جسم در فاصلهای مشخص – عمدتاً آنچه که شناسایی میشود متحرکاست 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 آنجسم- دقیقاً همان هدفی که پلیس از آن در بزرگراهها برای کنترل سرعت خودروهااز آن استفاده میکند.
جابه‌جاییاجسام – 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 دوپدیدهای 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 حوزهشنوایی 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، اگرشما به داخل یک چاه و یا در یک دره فریاد بزنید، پژواک صدای شما چند لحظه بعد بهگوشتان میرسد. در واقع شما صدایتان را باز خواهید شنید. پژواک بدین جهت رخ میدهدکه بعضی از امواج صدای شما (به این دلیل واژه بعضی را آوردیم که صدای برخی ازحیوانات مانند اردک در فرکانس خاص امواج صدای این حیوان هیچگاه پژواکی ندارد) پس ازبرخورد به یک سطح (که این سطح میتواند سطح آب، انتهای چاه یا دیوارة کوه موجود درانتهای دره باشد) به سمت شما باز میگردد و گوش شما دوباره آنرا میشنود. فاصلهزمانی‌ای که بین فریاد شما تا شنیدن پژواک آن طول میکشد با فاصله مکانی بین شما وآن 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. شماهر 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 برایاینکه 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. تازمانی‌که خودرو در حال نزدیک شدن به شماست فقط یک نت صوتی را میشنوید (در واقع یکفرکانس 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 ازلحظهای که از شما عبور کرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدابمتر 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 تغییراتصوت 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 1000کیلومتردر 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 باسرعتی برابر با 1000کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت میکند، بعد از 6 ثانیه ازفشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این 6 ثانیه درواقع 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 درحال حرکت است صدا را با نت پایینتر میشنود.
حال فرض کنید خودرو از فاصلهای دور باسرعتی معادل 100 کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت کند، همان راننده با همان خودرو وبا 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 دادهاست.
در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابتبوده ولی در زمان کوتاهتری به سمت شما آمده و از آنجائی‌که تعریف فرکانس تعدادنوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را 1 بر 60 ثانیه تقسیمکردیم و فرکانس F1 بدست میآمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر 54 تقسیم کنیمکه 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 64ثانیه صدای بوق را میشنوید که فرکانس حاصله در این حالت کمتر (یا صدای بمتر(خواهد بود.
شکستن دیوارصوتی
اینک که ما در حال بحث بر روی رابط صداو سرعت هستیم میتوانیم در مورد شکستن دیوار صوتی هم صحبت کنیم. فرض کنید آنخودرویی که صحبتش بود با سرعتی معادل 100 کیلومتر در ساعت به سوی شما، آن هم درحال بوق زدن، حرکت کند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذانه از آن جلو زده و نه عقب میمانند، لذا در کل مدت حرکت خودرو شما صدایی رانخواهید شنید. اما در لحظهای که خودرو به شما میرسد، تمام امواج صوتی جمع شده ویکجا شما آنها را میشنوید. صدای بسیار بلند و با فرکانس بسیار بالا.
این صدا توسط هواپیمایی که قادرند باسرعتی معادل با سرعت صوت حرکت کنند میتواند موجبات وحشت بسیاری از افرادی که درزیر مسیر این هواپیما قرار دارند بوجود آورده قدرت این صدا به قدری است که میتواندشیشهها 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 موجمتمرکز بصورت V شکل از جلو قایق به طرفین حرکت میکند که زاویه این موج توسط سرعتقایق کنترل میشود. در واقع تجمع امواجی که قایق در هر لحظه تولید میکند و هر لحظهبر 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 ایستادهایدبه 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) ازآنجایی که خودرو در حال حرکت است لذا اصوات منعکس شده یا به هم فشرده میشوند (درحالی که خودرو به سمت شما میآید) و یا از هم باز میشوند. در حالت حرکت مخالف درهر دو صورت شما میتوانید با مقایسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدستآورید.
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 اینگونه رادار در هوا استفاده نمیشود.
- صدا در هوا مسافت زیادی را نمیتواندبپیماید…. 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 بالابردن 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 رادیوییفضاپیماهای میان سیارهای ناسا کمک میکند.
سمت راست: رادار جست وجوی سطح و هوا کهبر 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 ودر 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 نورحرکت میکنند، تقریباً در هر میکروثانیه 300 متر را در فضا طی میکنند؛ حال اگرسیستم رادار مذکور دارای یک ساعت بسیار دقیق و قوی باشد، میتواند با دقت بسیاربالایی 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 قدرتمندپالس 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 پیچیدهتراز رادارهای هوایی است، هنگامی که یک رادار پلیس به ارسال پالس موج رادیوییمیپردازد بخاطر وجود اجسام بسیار در سر راهش مانند نردهها، پلها، تپهها وساختمانها 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 رادارهابسیار 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.
منبع: www.ewa.ir
