تحقیق مقاله بررسی سیستم های رادار

بررسی سیستم های رادار :

چکیده :

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.

This long-range radar antenna, known as ALTAIR, is used to detect and track space objects in conjunction with ABM testing at the Ronald Reagan Test Site on the Kwajalein atoll.[1]

امواج رادار چیزی است که در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه دیده نمی‏شود. اما مرکز کنترل ترافیک فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چه آنها که بر روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها که در حال پرواز هستند، 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 کره زمین و دیگر سیارات استفاده می‏کند، همین طور برای دنبال کردن مسیر ماهواره ‏ها 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 جنگ افزارهایشان 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 وسیله‏ ای بسیار کاربردی می‏باشد.[1]

استفاده از رادار عموماً در راستای سه هدف زیر می‏باشد:

شناسایی حضور یا عدم حضور یک جسم در فاصله ه‏ای مشخص – عمدتاً آنچه که شناسایی می‏شود متحرک است و مانند هواپیما، اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسامی که مثلاً در زیرزمین نیز مدفون شده ‏اند، نیز 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 در بزرگراه‌ها برای کنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏کند.

جابه‌جایی اجسام – شاتل‏های فضایی و ماهواره های دوار بر دور کره زمین از چیزی به عنوان رادار برای شناسایی حفره ‏های مجازی ،  تهیه نقشه جزئیات زمین ، نقشه ‏های عوارض جغرافیایی سطح ماه و دیگر سیارات استفاده می‏کنند.

مقدمه

خیالپردازی 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 کرده ا‌یم. 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. در ابتدا این وسیله فقط قادر بود وجود شیء را اعلان کند و به هیچ وجه توانایی تشخیص اندازه و ویژه گی های دیگر آن را نداشت. بنابرین بشر در ساخت رادار نیز از طبیعت استفاده‌های فراوان و اساسی کرده و با تغییراتی جزئی برای خود وسیله ا‌ی سودمند ساخته است. [2]

Brightness can indicate reflectivity as in this 1960 weather radar image (of Hurricane Abby). The radar's frequency, pulse form, and antenna largely determine what it can observe.

تاریخچه

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 داوید » 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. [3]

معادلات مربوط به رادار :

Pt = transmitter power

Gt = gain of the transmitting antenna

Ar = effective aperture (area) of the receiving antenna

σ = radar cross section, or scattering coefficient, of the target

F = pattern propagation factor

Rt = distance from the transmitter to the target

Rr = distance from the target to the receiver.

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 ایا 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

نظامی

درجنگ جهانی دوم زمانیکه رادار وارد صحنه نبرد  شد، انگلستان پیگاههای 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 دریایی هایی 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 جنگ های 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 بری انسان امروزی در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت های دریایی و هوایی همگی مدیون رادار هستند.

علمی

در حقیقت یکی از مهمترین کاربردهای علمی رادار با آغاز عصر فضا بوجود 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. بنابرین رادار علی رغم خرابی هاییکه با گسترده تر کردن جنگ ها به وجود آورد، توانست خدمات بسیار ارزنده ای را برای جامعه بشری به ارمغان آورد و انسان این همه را مدیون طبیعت بی ادعاست! [4]

صنعتی وبازرگانی

شناسایی حضور یا عدم حضور یک جسم در فاصله ه‏ای مشخص – عمدتاً آنچه را که توسط رادار شناسایی می‏شود متحرک می باشد ( مانند هواپیما ) اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسام که مثلاً در زیر زمین نیز مدفون شده‏ اند، می‏باشد. در بعضی از موارد حتی رادار می‏تواند ماهیت آنچه را که می‏یابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپیمیی که شناسایی می‏کند. شناسایی سرعت آن جسم- دقیقاً همان هدفی که پلیس از آن در بزرگراهها برای کنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏کند.

مثالی از کاربرد رادار

حال بیایید در مورد نمونه ای واقعی از راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار می‏رود صحبت کنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن کردن فرستنده ، 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  پالس امواج رادیویی  کوچک (اما قدرتمند) را با یک فرکانس مشخص منتشر می سازد. هنگامی که امواج به یک جسم برخورد می‏کنند منعکس شده و در اثر پدیده داپلر فشرده ‏تر یا گسسته ‏تر می‏شوند. همان آنتن وظیفه دریافت امواج منعکس شده را که البته بسیار کمتر از امواج ارسالی هستند بر عهده دارد.  [5]

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، تپه ‏ها 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 اندازه ‏‏ای 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. این تکنولوژی به نام «لیدار» شناخته می‏شود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمرکز (یا همان لیزر) استفاده می‏شود.

فضایی

جابجایی اجسام - شاتل‏های فضایی و ماهواره‏های دوار بر دور کره زمین از چیزی با عنوان رادار حفره‏ های مجازی برای تهیه نقشه از عوارض جغرافیایی سطح زمین ، ماه و دیگر سیارات استفاده می‏کنند.

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 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.

بالنها و دلفینها نیز از همین پدیده بازتاب استفاده می‌کنند که در مورد بازتابهای صوتی به آن "سونار" گفته می‌شود.

رادار هواشناسی

در سالهای اخیر رادار برای افزایش کارایی پیش‌بینی وضع هوا به ابزاری بسیار ارزشمندی تبدیل شده است. 

زمینه‌های استفاده از رادار در هواشناسی به شرح زیر است :

1- تعیین فاصله هدف (ابر، منطقه بارش، جبهه ها و …) تا ایستگاه مورد نظر;

2- شناخت نوع هدف (انواع جبهه ها، انواع ابرها و …);

3- شناخت نوع ریزش (باران، تگرگ، برف و …);

4- شناخت موقعیت و ارزیابی انواع سیکلونهای حاره‌ای و توفندها;

5- شناخت مسیر حرکت و تعقیب روند تغییرات تظاهرات فوق در مسیر حرکت.

کار رادار براساس خاصیت قطرات آب و ذرات بلور موجود در ابرهاست که مانند مانعی، امواج ارسال شده از رادار مستقر بر سطح زمین را منعکس می‌کنند.

از آنجا که سرعت امواج الکترو مغناطیسی، ثابت (300.000 کیلومتر در ثانیه) است می توان با استفاده از ارسال امواج و سنجش زمان رفت و برگشت آنها، فاصله هدف از ایستگاه را مشخص کرد.

دستگاه رادار از سه قسمت، یعنی فرستنده، آنتن و گیرنده تشکیل شده است.

شیوه کار بدین شکل است که ابتدا بوسیله لامپ فرستنده (magnetron) ، ضربان منقطع از امواج الکترومغناطیس با فرکانس بالا تولید می شود و آن را از طریق آنتن رادار، که در بیشتر موارد محدب است، به سمت مانع (مثلا ابر) می فرستند؛ پس از برخورد به قطرات یا ذرات بلور موجود در ابر، بلافاصله به انعکاس پخشی دچار می‌شوند و به سوی زمین بر می‌گردند که البته تنها قسمتی از آن از طریق آنتن رادار به گیرنده می‌رسد زیرا دامنه ضربان مورد بحث در این رفت و برگشت تضعیف می‌شود، لذا آن را با دستگاه تقویت کننده‌ای حدود یک میلیون برابر (106) تقویت می‌کنند.

[1] Buderi, Robert, The invention that changed the world: the story of radar from war to peace, Simon & Schuster, 1996. ISBN 0-349-11068-9 ISBN 0-316-90715-4

[2] Hall, P.S., T.K. Garland-Collins, R.S. Picton and R.G. Lee, Radar, Brassey's (UK) Ltd., 1991, Land Warfare Series: Vol 9, ISBN 0-08-037711-4.

[3] Kaiser, Gerald, Chapter 10 in "A Friendly Guide to Wavelets", Birkhauser, Boston, 1994

[4] Jones, R.V., Most Secret War, ISBN 1-85326-699-X. R.V. Jones' account of his part in British Scientific Intelligence between 1939 and 1945, working to anticipate the German's radar, radio navigation and V1/V2 developments.

[5] Le Chevalier, François, Principles of Radar and Sonar Signal Processing, Artech House, Boston, London, 2002. ISBN 1-58053-338-8.