کزاز الکترونیک

طراحی وساخت مدارات ساده تا پیشرفته الکترونیک ومعرفی قطعات

رادار چیست وچگونه کار میکند
ساعت ٦:۳۳ ‎ق.ظ روز یکشنبه ٧ اردیبهشت ۱۳٩۳   کلمات کلیدی:


رادارها چگونه کار میکنند؟

رادارها چگونه کار میکنند؟

رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت هدف بکار می رود. با رادار می توان درون محیطی را که برای چشم، غیر قابل نفوذ است دید مانند تاریکی، باران، مه، برف، غبار و غیره .

اما مهمترین مزیت رادار توانایی آن درتعیین فاصله یا حدود هدف می باشد. کاربرد رادارها در اهداف زمینی، هوایی، دریایی، فضایی و هواشناسی می باشد.

نمونه یک تصویر دریافت شده از رادار هواشناسی

 

نمونه یک رادار فضایی و تصویر دریافت شده از ماه توسط این رادار

 

نخستین بار در سال 1901  هوگو ژرنسبارک  که او را «ژول ورن» آمریکایی می‌نامند، در یک داستان علمی تخیلی، آن را طرح ریزی کرد. در سال 1906، یک دانشجوی 23 ساله آلمانی، به نام  هولفس یر  دستگاهی ساخت که با اصول رادارهای امروزی می‌توانست امواجی را بسوی موانع بفرستد و بازتاب آنها را دریافت دارد. آزمایش اساسی ارسال امواج الکترومغناطیسی بسوی هواپیماهای در حال پرواز، بوسیله یک دانشمند فرانسوی به نام  پیر دیوید  انجام یافت. در آغاز جنگ دوم جهانی بود که تکنسینهای انگلیسی موفق شدند، نخستین مدلهای راداری امروزی را بسازند. اما کار آنها یک مشکل اساسی داشت. امواج تا نقطه‌ای که  می‌خواستند نمی‌رسید و تنها تا پنج هزار متر برد داشت.

به همین دلیل یک فرانسوی دیگر به نام موریس پونت در سال 1930 موفق به اختراع دستگاهی جالب به نام مانیترون شد که امواج بسیار کوتاه رادیویی را بوجود می‌آورد و به همین دلیل رادارهایی که به کمک این وسیله تکمیل شدند توانستند تا دهها کیلومتر بیش از رادار قبلی امواج را ارسال کنند. دستگاه اختراعی پونت در سال 1935 ابتدا در کشتی معروفی به نام نرماندی نصب شد و توانست آن را از خطر برخورد با کوههای عظیم یخی شناور در اقیانوس محافظت کند و بدین ترتیب رادار علاوه بر استفاده وسیع در هوا ، سطح دریاها را هم به تسخیر خود در آورد.

 

اما این دستگاها چگونه کار می کنند؟

واژه رادار امروزه در سرتاسر دنیا کاربرد دارد، RADAR مخفف (Radio Detection And Ranging) و به معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است. در واقع اختراع رادار از یک پدیده فیزیکی و بسیار طبیعی به نام انعکاس گرفته شده است، همه ما بارها و بارها بازگشت صدا را در مقابل صخره‌های عظیم تجربه کرده‌ایم. نور خورشید هم با استفاده از همین پدیده است که از سوی ماه و در هنگام شب به ما می‌رسد.

اساس کار رادارها را با یک مثال ساده توضیح می دهیم.

فرض کنید شما در لبه چاهی ایستاده اید اگر شما در داخل چاه فریاد بزنید برگشت صدای خود را پس از چند لحظه خواهید شنید و دلیل این پدیده اینست که برخی از امواج صوتی فریاد شما به سطحی ( مثلا بدنه چاه یا سطح آب در ته چاه) برخورد کرده و مجددا به سوی شما منعکس شده و به گوش شما می رسد و شما مجددا آنها را می شنوید. به این پدیده به اصطلاح پژواک و یا اکو می گویند.

فاصله زمانی بین لحظه ای که شما فریاد زده اید و لحظه ای که اکوی صدای خود را می شنوید بستگی به فاصله بین شما و سطح منعکس کننده امواج دارد. به راحتی قابل مشاهده است که با یک محاسبه کوچک می توان این فاصله را محاسبه کرد.

 

پدیده رایج دیگر در رادارها با نام داپلر شناخته می شود. برای درک بهتر پدیده داپلر مثالی ساده بیان می کنیم.

فرض کنید اتومبیلی که با سرعت 60 مایل در ساعت (تقریبا 97 کیلومتر در ساعت) بسوی شما در حال حرکت است بوق خود را به صدا در میاورد. هنگامی که اتومبیل در حال نزدیک شدن است صدای بوق آن هم بطور یکنواخت با نزدیک شدن اتومبیل بلندتر می شود اما هنگاهی که اتومبیل از مقابل شما عبور کرد صدای بوق بطور ناگهانی کم می شود . در حالی که این صدای یک بوق است که آن بوق همیشه یه صوت را تولید می کند اما پدیده داپلر باعث می شود که شما صدا را این گونه بشنوید.

 

 

چرا این اتفاق می افتد؟

سرعت صوت به شرط اینکه هوا ساکن باشد تقریبا در همه جا ثابت و حدود 600 مایل بر ساعت است. (سرعت دقیق آن به فشار، دما و رطوبت هوا بستگی دارد) تصور کنید اتومبیل متوقف است و دقیقا یک مایل با شما فاصله دارد و به مدت یک دقیقه بطور مداوم بوق می زند. امواج صوتی منتشر شده توسط بوق با سرعت 600 مایل بر ساعت به سمت شما حرکت می کنند و شما صدای بوق را با 6 ثانیه تاخیر خواهید شنید. (زیرا 6 ثانیه طول می کشد تا امواج با سرعت 600 مایل برساعت مسافت یک مایلی بین بوق و شما را طی کند)

 

حالا اجازه دهید تصور کنیم که اتومبیل با سرعت 60 مایل بر ساعت به سمت شما حرکت می کند . مبدا حرکت اتومبیل مسافت یک مایلی شماست و به مدت یک دقیقه تمام هم بطور مداوم بوق می زند. شما باز هم صدا را با 6 ثانیه تاخیر خواهید شنید اما اینبار به نظر شما اتومبیل فقط 54 ثانیه بوق می زند. این بدین خاطر است که اتومبیل پس از یک دقیقه دقیقا مقابل شما خواهد بود و صدا در این لحظه بلا فاصله و بدون هیچ تاخیری به شما می رسد. اتومبیل (از دیدگاه راننده آن ) یک دقیقه کامل بطور مداوم بوق زده است زیرا او نیز همراه با اتومبیل در حال حرکت بوده و صدا بدون تاخیر به گوش او رسیده است . اما در جایگاه شما امواج صوتی که در طول یک دقیقه تولید شده است در 54 ثانیه فشرده می شود. در واقع تعداد یکسانی از امواج صوتی در مقدار کمتری از زمان بسته بندی شده اند. بنابراین فرکانس آنها افزایش یافته و شما با صدایی بلندتر از صدای واقعی آن را خواهید شنید. اما هنگامی که اتومبیل از مقابل شما عبور کرد همه این وقایع بصورت برعکس تکرار می شوند و مقدار یکسان صوت در مدت زمان بیشتری انتشار می یابد در نتیجه فرکانس کاهش می یابد و شما صدای آهسته تری از حد واقعی را خواهید شنید.

حال به کمک پدیده اکو و داپلر می توان فاصله و سرعت اجسام را نسبت به فرستنده صوت محاسبه کنیم. مثلا در مثالهای فوق می توان سرعت و فاصله خودرو را نسبت به خودمان، با توجه به زمان سپری شده از لحظه بوق زدن تا شنیده شدن صدای بوق، محاسبه کرد.

این فرایند همان فرایندی است که در رادارهای صوتی استفاده می شود. رادارهای صوتی را می توان در طبیعت نیز یافت مثلا خفاش، دارای حس بینایی ضعیفی است و به کمک طبیعت راداری که دارد، می‌تواند موانع دور و برخود را تشخیص دهد. خفاش هنگام پرواز فریادهای ابر صوتی خاصی ایجاد می‌کند که پس از برخورد با اجسام مختلف، منعکس می‌شود و به گوش خفاش می‌رسد. بوسیله همین پژواک صداهای ابر صوتی است که نوع مانع و فاصله آن را تشخیص می‌دهد و طوری پرواز می‌کند که از تصادم با آنها در امان باشد.

 

اما رادارهای صوتی مشکلاتی دارند که عباتند از:

1.امواج صوتی برد کمی دارند و حداکثر پس از یک مایل نابود می شوند.

2.امواج صوتی را تقریبا همه می توانند بشوند و بنابراین یک رادار صوتی می تواند برای افرادی که در اطراف آن هستند مزاحمت زیادی ایجاد کند.( که البته می توان این مشکل را با استفاده از امواج فراصوتی بجای امواج قابل شنیدن تا حد زیادی مرتفع کرد).

3.امواج صوتی پس از اکو ضعیف می شوند و این مشکل، کشف و دریافت آنها را مشکل می کند.

حال برای بهبود کار رادارها چه باید کرد؟

این سوالی بود که باعث استفاده از امواج رادیویی بجای امواج صوتی شد. اما چرا امواج رادیویی:

1.امواج رادیویی برد زیادی دارند.

2.توسط انسانها قابل حس نیستند.

3.کشف و دریافت آنها حتی هنگامی که ضعیف هم شده اند براحتی امکان پذیر است.

 

حال طرز کار یک رادار رادیویی که وظیفه کشف و شناسایی هواپیماها را دارد توضیح می دهیم.

 ابتدا مکانیزم ارسال در رادار فعال می شود و امواج رادیویی را با قدرت زیاد و فرکانس بالا به طرف هواپیما ارسال می کند. مدت ارسال این امواج در حد یک میکروثانیه است.

سپس مکانیزم ارسال در رادار غیر فعال شده و مکانیزم دریافت فعال می گردد و منتظر دریافت اکوی امواج ارسال شده می ماند. سیستم رادار مدت زمان بین ارسال امواج و دریافت اکوی آنها را به دقت اندازه گیری می کند. سرعت امواج رادیویی برابر با سرعت نور است . بنابراین اگر سیستم رادار از یک ساعت بسیار دقیق برخوردار باشد می تواند مسافت هواپیما با رادار را بسیار دقیق اندازه گیری کند و اگر مجهز به یک سیستم ویژه پردازشگر امواج نیز باشد می تواند امواج داپلر را به دقت بررسی کرده و سرعت هواپیما را به طور کاملا دقیق مشخص کند.

 

 

حال که با طرز کار رادارها آشنا شدیم بد نیست بدانید که کاربرد رادرها امروزه بسیار وسیع بوده و ما در زیر فقط چند مورد آن را نام می بریم:

1.نظارت و رهگیری هواپیماها و موشکها

2.نظارت و رهگیری اهداف دریایی یا زمینی

3.نظارت و رهگیری اجرام فضایی

4.هواشناسی

5.اندازه گیری سرعت وسایل نقلیه

رادار دهانه ترکیبی برای تصویر دو-بعدی و سه-بعدی

6.پیداکردن مین در زمین

7.فرود(برای نمونه برای هواپیما) دقیق

8.عکسبرادری از کره‌های دیگر با رادار تصویری

9.پرهیز تصادم

10.پیدا کردن آب در مناطق شنزار و خشک

11.نظارت بر اهداف جنبنده در زمین

12.نظارت بر اهداف جنبنده در مناطق پردرخت

 

 

 




رادار چیست و چگونه کار می کند؟

رادار یک دستگاه رادیویی است که برای مشاهده اجسام و اندازهگیری برخی ویژگیهای آنها به وسیله امواج الکترومغناطیسی به کار میرود. کاربرد اصلی رادار و محل پیدایش و رشد آن در صنایع نظامی و هوانوردی است.
رادار یک دستگاه رادیویی است که برای مشاهده اجسام و اندازهگیری برخی ویژگیهای آنها به وسیله امواج الکترومغناطیسی به کار میرود. کاربرد اصلی رادار و محل پیدایش و رشد آن در صنایع نظامی و هوانوردی است و نقش اصلی یک سیستم راداری نظارت بر یک محدوده بزرگ و تشخیص اجسام متحرک، ردیابی اهداف و استخراج مشخصاتی مانند سرعت و ارتفاع و ... میباشد.
خیال پردازی در بسیاری از مواقع به حقیقت میپیوندد. جالب است بدانید که اختراع رادار هم در حقیقت همانند بسیاری از اختراعات دیگر ریشه در یک داستان علمی - تخیلی دارد. واژه رادار که امروزه در سرتاسر دنیا کاربرد دارد، همانند رادیو و تلویزیون یک اصطلاح بین المللی شده است. در واقع اختراع رادار از یک پدیده فیزیکی و بسیار طبیعی به نام انعکاس گرفته شده است، همه ما بارها و بارها بازگشت صدا را در مقابل صخرههای عظیم تجربه کردهایم. نور خورشید هم با استفاده از همین پدیده است که از سوی ماه و در هنگام شب به ما میرسد.
امواج رادیویی و الکترومغناطیس نیز قابلیت انعکاس و بازتاب دارند و رادار بر اساس همین خاصیت ساده بوجود آمد. سادهترین رادارها در حقیقت از یک فرستنده و یک گیرنده رادیویی بوجود آمدند. این وسایل ابتدایی فقط قادر بودند وجود شیء را اعلان کنند و به هیچ وجه توانایی تشخیص اندازه و ویژگیهای دیگر آن را نداشتند. بنابراین بشر در ساخت رادار نیز از طبیعت استفادههای فراوان و اساسی کرده و با تغییراتی جزئی برای خود وسیلهای سودمند ساخته است.
معمول ترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام می دهد رادار می باشد . رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است .به طور کلی می توان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد . سنسورها سیگنال های مایکرویو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سیگنال های بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی می کند . قدرت (میزان انرژی) سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد . با اندازه گیری فاصه زمانی بین ارسال ودریافت سیگنال ها می توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزایای شاخص رادار می توان به عملکرد رادار در شب یا روز وهمچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد . امواج مایکرویو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران می باشند . از آنجایی که عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیف های مرئی ومادون قرمز کار می کنند متفاوت است لذا می توان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد .

انواع رادار از نظر ارسال موج


رادار پالسی
رادار موج پیوسته(سینوسی)

مکانیسم عمل


همانطور که امواج دریا و امواج صوتی پس از رسیدن به مانعی منعکس میشوند، امواج الکترومغناطیسی هم وقتی به مانعی برخورد کردند، بر میگردند و ما را از وجود آن آگاه میسازند. به کمک امواج الکترومغناطیسی نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر میشویم، بلکه بطور دقیق تعیین میکنیم که آیا ساکن هستند یا از ما دور و یا به ما نزدیک میشوند؟ حتی سرعت جسم نیز بخوبی قابل محاسبه است. وقتی امواج منتشر شده از رادار ، به یک جسم دور برخورد میکنند، به طرف نقطه حرکت بر میگردند. امواج برگشتی توسط دستگاههای خاص در مبدا تقویت میشوند و از روی مدت رفت و برگشت این امواج ، فاصله بین جسم و رادار اندازه گیری میشود.

کاربردها


نظارت و رهگیری هواپیماها و موشکها
نظارت و رهگیری اهداف دریایی یا زمینی
نظارت و رهگیری اجرام فضایی
هواشناسی
اندازه گیری سرعت وسایل نقلیه
رادار دهانه ترکیبی برای تصویر دو-بعدی و سه-بعدی
پیداکردن مین در زمین
فرود(برای نمونه برای هواپیما) دقیق
عکسبرادری از کرههای دیگر با رادار تصویری
پرهیز تصادم
پیدا کردن آب در مناطق شنزار و خشک
نظارت بر اهداف جنبنده در زمین
نظارت بر اهداف جنبنده در مناطق پردرخت
زمانی رادار وارد جنگلها شد، انگلستان پایگاههای وسیعی را با رادار مجهز کرد و به این ترتیب هواپیماهای آلمانی در کار خودشان دچار اختلال شدند. به عقیده بسیاری از کارشناسان همین رادار بود که آلمان را علی رغم حملههای گسترده هوایی بر روی شهرهایی نظیر لندن ، ناکام گذاشت. همچنین بسیاری از زیر دریاییهایی که تعداد زیادی از کشتیهای حمل و نقل و ناوهای جنگی متفقین را به قعر دریا میفرستادند، با کمک رادارها شناسایی شدند و در عملیات گوناگون خود دچار شکست گردیدند.
رادارها حتی در توپخانهها ، موشک اندازها و جنگهای زیر دریاییها نیز وارد عمل شدند و توجه قدرتهای بزرگ تسلیحاتی را ، حتی پس از شکست هیتلر و پایان جنگ جهانی به خودشان جلب کردند. اما صرف نظر از کاربردها نظامی، رادار خدمات صلح آمیز بسیاری را برای انسان امروزی در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت های دریایی و هوایی همگی مدیون رادار هستند.
در حقیقت یکی از مهمترین کاربردهای علمی رادار با آغاز عصر فضا به وجود آمد و بشر توانست برای اولین بار با کمک رادار به فضا دسترسی پیدا کند و حتی سطح سیاره ها و اشکال گوناگون آنها را شناسایی کند. این موفقیت سالها قبل از آن بود که سفینه ها بتوانند از سطح سیارات عکسبرداری کنند. بنابراین رادار علی رغم خرابی هایی که با گسترده تر کردن جنگها به وجود آورد، توانست خدمات بسیار ارزنده ای را برای جامعه بشری به ارمغان آورد و انسان این همه را مدیون طبیعت بی ادعاست!
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 زیر زمین 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.
جابجایی 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 دوپلر» این دو پدیده بسادگی قابل فهم می‏باشند، چرا که هر روزه شما با آنها در حوزه شنوایی خویش برخوردارید. رادار از این دو پدیده در حوزه امواج رادیویی استفاده می‏برد.

رادار در طبیعت


شاید رادار طبیعی بیشترین استفاده را برای خفاش دارد. چرا که این پرنده شب پرواز ، دارای حس بینایی ضعیفی است و به کمک طبیعت راداری که دارد، میتواند موانع دور و بر خود را تشخیص دهد. خفاش هنگام پرواز فریادهای ابر صوتی خاصی ایجاد میکند که پس از برخورد با اجسام مختلف ، منعکس میشود و به گوش خفاش میرسد. بوسیله همین پژواک صداهای ابر صوتی است که نوع مانع و فاصله آن را تشخیص میدهد و طوری پرواز میکند که از تصادم با آنها در امان باشد.
بالنها و دلفینها نیز از همین پدیده بازتاب استفاده میکنند که در مورد بازتابهای صوتی به آن "سونار " گفته میشود.