مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

امواج رادار

مقدمه

خيالپردازي در بسياري از مواقع به حقيقت می‌پيوندد. جالب است بدانيد که اختراع رادار هم در حقيقت همانند بسياري از اختراعات ديگر ريشه در يک داستان علمي – تخيلي دارد. واژه رادار که امروزه در سرتاسر دنيا کاربرد دارد، همانند راديو و تلويزيون يک اصطلاح بين المللي شده است. در واقع اختراع رادار از يک پديده فيزيکي و بسيار طبيعي به نام انعکاس گرفته شده است.

همه ما بارها و بارها بازگشت صدا را در مقابل صخره‌هاي عظيم تجربه کرده ا‌يم. نور خورشيد هم با استفاده از همين پديده است که از سوي ماه و در هنگام شب به ما می‌رسد.

امواج راديويي و الکترومغناطيس نيز قابليت انعکاس و بازتاب دارند و رادار بر اساس همين خاصيت ساده بوجود آمد. ساده‌ترين رادارها در حقيقت از يک فرستنده و يک گيرنده راديويي بوجود آمدند. در ابتدا اين وسيله فقط قادر بود وجود شيء را اعلان کند و به هيچ وجه توانايي تشخيص اندازه و ويژه گي هاي ديگر آن را نداشت. بنابرين بشر در ساخت رادار نيز از طبيعت استفاده‌هاي فراوان و اساسي کرده و با تغييراتي جزئي براي خود وسيله ا‌ي سودمند ساخته است.

تاريخچه

نخستين بار در سال 1901 « هوگو ژرنسبارک » که او را «ژول ورن» آمريکايي می‌نامند، در يک داستان علمي _ تخيلي ، آن را طرح ريزي کرد. در سال 1906 ، يک دانشجوي 23 ساله آلماني ، به نام « هولفس ير » دستگاهي ساخت که با اصول رادارهاي امروزي می‌توانست امواجي را بسوي موانع بفرستد و بازتاب آنها را دريافت دارد. آزمايش اساسي ارسال امواج الکترومغناطيسي بسوي هواپيماهاي در حال پرواز ، بوسيله يک دانشمند فرانسوي به نام « پير داويد » انجام يافت. در آغاز جنگ دوم جهاني بود که تکنسينهاي انگليسي موفق شدند، نخستين مدلهاي راداري امروزي را بسازند. اما کار آنها يک مشکل اساسي داشت. امواج تا نقطه‌اي که می‌خواستند نمی‌رسيد و تنها تا پنج هزار متر برد داشت.

به همين دليل يک فرانسوي ديگر به نام "موريس پونت" در سال 1930 موفق به اختراع دستگاهي جالب به نام "مانيترون" شد که امواج بسيار کوتاه راديويي را بوجود می‌آورد و به همين دليل رادارهايي که به کمک اين وسيله تکميل شدند توانستند تا دهها کيلومتر بيش از رادار قبلي امواج را ارسال کنند. دستگاه اختراعي پونت در سال 1935 ابتدا در کشتي معروفي به نام نرماندي نصب شد و توانست آن را از خطر برخورد با کوههاي عظيم يخي شناور در اقيانوس محافظت کند و بدين ترتيب رادار علاوه بر استفاده وسيع در هوا ، سطح درياها را هم به تسخير خود در آورد.

مکانيسم عمل

همانطور که امواج دريا و امواج صوتي پس از رسيدن به مانعي منعکس می‌شوند، امواج الکترومغناطيسي هم وقتي به مانعي برخورد کردند، بر می‌گردند و ما را از وجود آن آگاه می‌سازند. به کمک امواج الکترومغناطيسي نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر می‌شويم، بلکه بطور دقيق تعيين می‌کنيم که ايا ساکن هستند يا از ما دور و يا به ما نزديک می‌شوند. حتي سرعت جسم نيز بخوبي قابل محاسبه است. وقتي امواج منتشر شده از رادار ، به يک جسم دور برخورد می‌کنند، به طرف نقطه حرکت بر می‌گردند. امواج برگشتي توسط دستگاههاي خاص در مبدا تقويت می‌شوند و از روي مدت رفت و برگشت اين امواج ، فاصله بين جسم و رادار اندازه گيري می‌شود.

کاربردها

نظامي

درجنگ جهاني دوم زمانيکه رادار وارد صحنه نبرد شد، انگلستان پيگاههاي وسيعي را با رادار مجهز کرد و به اين ترتيب هواپيماهاي آلماني در کار خودشان دچار اختلال شدند. به عقيده بسياري از کارشناسان همين رادار بود که آلمان را علي رغم حمله‌هاي گسترده هوايي بر روي شهرهايي نظير لندن ، ناکام گذاشت. همچنين بسياري از زير دريايي هايي که تعداد زيادي از کشتيهاي حمل و نقل و ناوهاي جنگي متفقين را به قعر دريا می‌فرستادند، با کمک رادارها شناسايي شدند و در عمليات گوناگون خود دچار شکست گرديدند.

رادارها حتي در توپخانه‌ها ، موشک اندازها و جنگ هاي زير درياييها نيز وارد عمل شدند و توجه قدرتهاي بزرگ تسليحاتي را ، حتي پس از شکست هيتلر و پايان جنگ جهاني به خودشان جلب کردند. اما صرف نظر از کاربردها نظامي، رادار خدمات صلح آميز بسياري را بري انسان امروزي در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت هاي دريايي و هوايي همگي مديون رادار هستند.

علمي

در حقيقت يکي از مهمترين کاربردهاي علمي رادار با آغاز عصر فضا بوجود آمد و بشر توانست براي اولين بار با کمک رادار به فضا دسترسي پيدا کند و حتي سطح سياره ها و اشکال گوناگون آنها را شناسايي کند. اين موفقيت سالها قبل از آن بود که سفينه ها بتوانند از سطح سيارات عکسبرداري کنند. بنابرين رادار علي رغم خرابي هاييکه با گسترده تر کردن جنگ ها به وجود آورد، توانست خدمات بسيار ارزنده اي را براي جامعه بشري به ارمغان آورد و انسان اين همه را مديون طبيعت بي ادعاست!

صنعتي وبازرگاني

شناسايي حضور يا عدم حضور يک جسم در فاصله ه‏اي مشخص – عمدتاً آنچه را که توسط رادار شناسايي می‏شود متحرک مي باشد ( مانند هواپيما ) اما رادار قادر به شناسايي حضور اجسام که مثلاً در زير زمين نيز مدفون شده‏ اند، می‏باشد. در بعضي از موارد حتي رادار می‏تواند ماهيت آنچه را که می‏يابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپيميي که شناسايي می‏کند. شناسايي سرعت آن جسم- دقيقاً همان هدفي که پليس از آن در بزرگراهها براي کنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏کند.

مثالي از کاربرد رادار

حال بياييد در مورد نمونه اي واقعي از راداري كه براي شناسايي هواپيماهاي در حال پرواز بكار مي‏رود صحبت كنيم. سيستم رادار در ابتدا با روشن كردن فرستنده ، 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 پالس امواج راديويي كوچك (اما قدرتمند) را با يك فركانس مشخص منتشر مي سازد. هنگامي كه امواج به يك جسم برخورد مي‏كنند منعكس شده و در اثر پديده داپلر فشرده ‏تر يا گسسته ‏تر 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، تپه ‏ها 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 اندازه ‏‏اي 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. اين تكنولوژي به نام «ليدار» شناخته مي‏شود. در اين مدل بجاي امواج راديويي از اشعه نوري متمركز (يا همان ليزر) استفاده مي‏شود.

فضايي

جابجايي اجسام - شاتل‏هاي فضايي و ماهواره‏هاي دوار بر دور کره زمين از چيزي با عنوان رادار حفره‏ هاي مجازي براي تهيه نقشه از عوارض جغرافيايي سطح زمين ، ماه و ديگر سيارات استفاده می‏کنند.

رادار در طبيعت

شايد رادار طبيعي بيشترين استفاده را براي خفاش دارد. چرا که اين پرنده شب پرواز ، داراي حس بينايي ضعيفي است و به کمک طبيعت راداري که دارد، می‌تواند موانع دور و برخود را تشخيص دهد. خفاش هنگام پرواز فريادهاي ابر صوتي خاصي ايجاد می‌کند که پس از برخورد با اجسام مختلف ، منعکس می‌شود و به گوش خفاش می‌رسد. بوسيله همين پژواک صداهاي ابر صوتي است که نوع مانع و فاصله آن را تشخيص می‌دهد و طوري پرواز می‌کند که از تصادم با آنها در امان باشد.

بالنها و دلفينها نيز از همين پديده بازتاب استفاده می‌کنند که در مورد بازتابهاي صوتي به آن "سونار" گفته می‌شود.

رادار هواشناسي

در سالهاي اخير رادار براي افزايش كارايي پيش‌بيني وضع هوا به ابزاري بسيار ارزشمندي تبديل شده است.

زمينه‌هاي استفاده از رادار در هواشناسي به شرح زير است :

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

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

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

4- شناخت موقعيت و ارزيابي انواع سيكلونهاي حاره‌اي و توفندها;

5- شناخت مسير حركت و تعقيب روند تغييرات تظاهرات فوق در مسير حركت.

كار رادار براساس خاصيت قطرات آب و ذرات بلور موجود در ابرهاست كه مانند مانعي، امواج ارسال شده از رادار مستقر بر سطح زمين را منعكس مي‌كنند.

از آنجا كه سرعت امواج الكترو مغناطيسي، ثابت (300.000 كيلومتر در ثانيه) است مي توان با استفاده از ارسال امواج و سنجش زمان رفت و برگشت آنها، فاصله هدف از ايستگاه را مشخص كرد.

دستگاه رادار از سه قسمت، يعني فرستنده، آنتن و گيرنده تشكيل شده است.

شيوه كار بدين شكل است كه ابتدا بوسيله لامپ فرستنده (magnetron) ، ضربان منقطع از امواج الكترومغناطيس با فركانس بالا توليد مي شود و آن را از طريق آنتن رادار، كه در بيشتر موارد محدب است، به سمت مانع (مثلا ابر) مي فرستند؛ پس از برخورد به قطرات يا ذرات بلور موجود در ابر، بلافاصله به انعكاس پخشي دچار مي‌شوند و به سوي زمين بر مي‌گردند كه البته تنها قسمتي از آن از طريق آنتن رادار به گيرنده مي‌رسد زيرا دامنه ضربان مورد بحث در اين رفت و برگشت تضعيف مي‌شود، لذا آن را با دستگاه تقويت كننده‌اي حدود يك ميليون برابر (106) تقويت مي‌كنند.

اين امواج در مرحله بعد به صفحه تصوير(نوسان‌نما) منتقل و سپس به صورت لكه‌هاي نوراني مشخص مي‌شوند. از روي تصوير دريافتي مي‌توان نوع تظاهرات جوي را به خوبي تشخيص داد؛ مثلا رگبار و ابرهاي تندري، در صفحه تصوير به صورت لكه هاي روشن و نامنظم ديده مي‌شود.

در بين تظاهرات جوي ؛ جبهه سرد، واضح‌تر و روشن‌تر از بقيه تصاوير ديده مي‌شود به طوري كه امكان شناسايي و پيش‌بيني مسير حركت آنها با هيچ روشي تا اين حد موفق نيست.

نگسراد

نگسراد به معني نسل جديد رادارهاي هواشناسي است و چنين وسيله‌اي براي سنجش و پيش بيني وقوع تغييرات ناگهاني آب و هوا (مثل توفان، گردباد) بكار مي‌رود.

در اين وسيله از امواج الكترومغناطيس استفاده مي‌شود. براي اين امواج نيز ممكن است (همانند صدا) پديده دوپلر روي دهد.

همانطور كه مي‌دانيد گردباد متشكل از ذرّات ريز آب و هوا است كه با سرعت زياد حول محوري متحرّك در چرخشند. امواج رادار توسط نگسراد صادر مي‌شود. بازتاب اين امواج از ذرّات آب به سمت نگسراد بازمي‌گردد. در اين حالت بسامد امواج فرستاده شده و بازتابيده با يكديگر مقايسه مي‌شوند.

البته امواج بازتابي داراي بسامد‌هاي مختلفي هستند. ذرّات كه به سمت دستگاه در حركتند امواج رادار را با بسامد بالاتر باز مي‌تابانند (طبق پديده دوپلر). برعكس ذرّات كه در حال دور شدن از نگسراد هستند امواج رادار را با بسامدي پايين‌تر از بسامد ارسالي باز مي‌تابانند.

پردازش‌هاي كامپيوتري بر روي مقادير بسامد دريافتي تصاويري را مي سازد که نشانگر جهت و سرعت باد مي‌باشند.

منبع

برگرفته از سايت

http://daneshnameh.roshd.ir/