-
رادار چگونه كار مي كند ؟
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
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.
هواشناسان براي شناسايي طوفانها، تندبادهاي دريايي و گردبادها از آن استفاده ميبرند. شما حتي نوعي خاص از رادار را در مدخل ورودي فروشگاهها ميبينيد كه در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز ميكنند. بطور واضح ميبينيد كه رادار وسيلهاي بسيار كاربردي ميباشد. در اين بخش از مقالات ما به اسرار رادار ميپردازيم.
استفاده از رادار عموماً در راستاي سه هدف زير ميباشد:
شناسايي حضور يا عدم 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 كه مييابد مشخص كند، مثلاً نوع هواپيمايي كه شناسايي ميكند.
شناسايي سرعت آن جسم- دقيقاً همان هدفي كه پليس از آن در بزرگراهها براي كنترل سرعت خودروها از 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 استفاده ميبرد.
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، اگر شما 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 ميدهد كه بعضي از امواج صداي شما (به اين دليل واژه بعضي را آورديم كه صداي برخي از حيوانات مانند اردك در فركانس خاص امواج صداي اين حيوان هيچگاه پژواكي ندارد) پس از برخورد به يك سطح (كه اين سطح ميتواند سطح آب، انتهاي چاه يا ديوارة كوه موجود در انتهاي دره باشد) به سمت شما باز ميگردد و گوش شما دوباره آنرا ميشنود. فاصله زماني‌اي كه بين فرياد شما تا شنيدن پژواك آن طول ميكشد با فاصله مكاني بين شما و آن 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. شما هر 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. تا زماني‌كه 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 از لحظهاي كه از شما عبور كرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بمتر نيز ميشود، در صورتي كه شما ميدانيد كه صداي بوق هميشه ثابت است، كما اينكه 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 1000كيلومتر در 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 با سرعتي برابر با 1000كيلومتر بر ساعت به سمت شما حركت ميكند، بعد از 6 ثانيه از فشرده شدن شستي بوق توسط راننده، شما چه صدايي را خواهيد شنيد؟ (اين 6 ثانيه در واقع 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 در حال حركت است صدا را با نت پايينتر ميشنود.
حال فرض كنيد خودرو از فاصلهاي دور با سرعتي معادل 100 كيلومتر بر ساعت به سمت شما حركت كند، همان راننده با همان خودرو و با 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 داده است.
در واقع تعداد اعوجاجهاي موج صوتي ثابت بوده ولي در زمان كوتاهتري به سمت شما آمده و از آنجائي‌كه تعريف فركانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً اين نوسانات را 1 بر 60 ثانيه تقسيم كرديم 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 64 ثانيه صداي بوق را ميشنويد كه فركانس حاصله در اين حالت كمتر (يا صداي بمتر) خواهد بود.
شكستن ديوار صوتي
اينك كه ما در حال بحث بر روي رابط صدا و 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 در حال 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 را نخواهيد شنيد. اما در لحظهاي كه خودرو به شما ميرسد، تمام امواج صوتي جمع شده و يكجا شما آنها را ميشنويد. صداي بسيار بلند و با فركانس بسيار بالا.
اين صدا توسط هواپيمايي كه قادرند با سرعتي معادل با سرعت صوت حركت كنند ميتواند موجبات وحشت بسياري از افرادي كه در زير مسير اين هواپيما قرار دارند بوجود آورده قدرت اين صدا به قدري است كه ميتواند شيشهها 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 موج متمركز 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 ايستادهايد به 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) از آنجايي كه خودرو در حال حركت است لذا اصوات منعكس شده يا به هم فشرده ميشوند (در حالي كه خودرو به سمت شما ميآيد) و يا از هم باز ميشوند. در حالت حركت مخالف در هر 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 اين گونه رادار در هوا استفاده نميشود.
- صدا در هوا مسافت زيادي را نميتواند بپيمايد…. شايد در حدود 5/1 كيلومتر و يا كمي بيشتر
- هركسي ميتواند صدا را بشنود لذا استفاده از صدا در محيط آزاد موجب آزار ديگران ميشود كه البته ميتوان با بالا بردن 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 و در 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 نور حركت ميكنند، تقريباً در هر ميكروثانيه 300 متر را در فضا طي ميكنند؛ حال اگر سيستم رادار مذكور داراي يك ساعت بسيار دقيق و قوي باشد، ميتواند با دقت بسيار بالايي 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 قدرتمند پالس 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 پيچيدهتر از 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 و ساختمانها 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 رادارها بسيار 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.
