رادار چگونه كار می كند

امواج رادار چیزی است كه در تمام اطراف ما وجود دارد, اگر چه دیده نمی شود مركز كنترل ترافیك فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چه آنها كه بر روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها كه در حال پرواز هستند و هدایت آنها از رادار استفاده می كنند

امواج رادار چیزی است كه در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه دیده نمی‏شود. مركز كنترل ترافیك فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چه آنها كه بر روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها كه در حال پرواز هستند و هدایت آنها از رادار استفاده می‏كنند. در برخی از كشورها پلیس از رادار برای شناسایی خودروهای با سرعت غیر مجاز استفاده می‏‏كند.

ناسا از رادار برای شناسایی موقعیت كرهٔ زمین و دیگر سیارات استفاده می‏كند، همین طور برای دنبال كردن مسیر ماهواره‏ها و فضاپیماها و برای كمك به كشتی‏ها در دریا و مانورهای رزمی از آن استفاده می‏شود. مراكز نظامی نیز برای شناسایی دشمن و یا هدایت جنگ‏افزارهایشان از آن استفاده می‏كنند.

هواشناسان برای شناسایی طوفانها، تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده می‏برند. شما حتی نوعی خاص از رادار را در مدخل ورودی فروشگاهها می‏بینید كه در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز می‏كنند. بطور واضح می‏بینید كه رادار وسیله‏ای بسیار كاربردی می‏باشد. در این بخش از مقالات ما به اسرار رادار می‏پردازیم.

استفاده از رادار عموماً در راستای سه هدف زیر می‏باشد:

۱) شناسایی حضور یا عدم حضور یك جسم در فاصله‏ای مشخص – عمدتاً آنچه كه شناسایی می‏شود متحرك است و مانند هواپیما، اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسام كه مثلاً در زیرزمین نیز مدفون شده‏اند، می‏باشد. در بعضی از موارد حتی رادار می‏تواند ماهیت آنچه را كه می‏یابد مشخص كند، مثلاً نوع هواپیمایی كه شناسایی می‏كند.

۲) شناسایی سرعت آن جسم- دقیقاً همان هدفی كه پلیس از آن در بزرگراه‌ها برای كنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏كند.

۳) جابه‌جایی اجسام – شاتل‏های فضایی و ماهواره‏های دوار بر دور كره زمین از چیزی به عنوان رادار حفره‏های مجازی برای تهیه نقشه جزئیات، نقشه‏های عوارض جغرافیایی سطح ماه و دیگر سیارات استفاده می‏كنند.

تمام این سه عملیات می‏تواند با دو پدیده‏ای كه شما در زندگی روزمره با آن آشنائید پیاده شود: «پژواك» و «پدیده داپلر» این دو پدیده به سادگی قابل فهم می‏باشند، چرا كه هر روزه شما با آنها در حوزه شنوایی خویش برخوردارید. رادار از این دو پدیده در حوزهٔ امواج رادیویی استفاده می‏برد.

بگذارید ابتدا با این پدیده در حوزه شنیداری یا صوتی خویش بیشتر آشنا شویم.

● پژواك و پدیده داپلر

پژواك پدیده‏ای است كه شما هر روزه با آن برخورد دارید، اگر شما به داخل یك چاه و یا در یك دره فریاد بزنید، پژواك صدای شما چند لحظه بعد به گوشتان می‏رسد. در واقع شما صدایتان را باز خواهید شنید.

پژواك بدین جهت رخ می‏دهد كه بعضی از امواج صدای شما (به این دلیل واژه بعضی را آوردیم كه صدای برخی از حیوانات مانند اردك در فركانس خاص امواج صدای این حیوان هیچگاه پژواكی ندارد) پس از برخورد به یك سطح (كه این سطح می‏تواند سطح آب، انتهای چاه یا دیوارهٔ كوه موجود در انتهای دره باشد) به سمت شما باز می‏گردد و گوش شما دوباره آنرا می‏شنود. فاصله زمانی‌ای كه بین فریاد شما تا شنیدن پژواك آن طول می‏كشد با فاصله مكانی بین شما و آن سطح بازگردانندهٔ پژواك ارتباط دارد.

هنگامی كه شما به داخل یك چاه فریاد می‏كشید، صدای شما از دهانهٔ چاه به سمت انتهای چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهای چاه منعكس می‏شود. در این حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقیق بدانید، با اندازه‏گیری زمان رفت‏وبرگشت صدا می‏توانید عمق چاه را حساب كنید.

پدیدهٔ داپلر نیز بسیار معمول است. شما هر روز (بدون اینكه حتی از آن دركی داشته باشید) آن را تجربه می‏كنید. این پدیده زمانی رخ می‏دهد كه یك مولد امواج صوتی و یا منعكس كننده امواج صوتی دارای حركت باشد. مثلاً یك خودرو كه در حال بوق زدن است. حالت تشدید شدهٔ پدیدهٔ داپلر در شكستن «دیوار صوتی» رخ می‏دهد.

در این جا به درك این پدیده می‏پردازیم (ممكن است شما برای اینكه بهتر این پدیده را درك كنید كنار یك اتوبان آن را تجربه كنید) فرض كنید كه خودرویی با سرعت ۱۰۰ كیلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حركت باشد.

تا زمانی‌كه خودرو در حال نزدیك شدن به شماست فقط یك نت صوتی را می‏شنوید (در واقع یك فركانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فركانس صحبت كردیم)، اما هنگامی كه خودرو به كنار شما می‏رسد صدای بوق ناگهان تغییر كرده و به عبارتی «بم» تر می‏شود و بعد از لحظه‏ای كه از شما عبور كرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بم‏تر نیز می‏شود، در صورتی كه شما می‏دانید كه صدای بوق همیشه ثابت است، كما اینكه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعی بوق را می‏شنود.

این تغییرات صوت شنیده شده توسط شما بوسیلهٔ پدیدهٔ داپلر قابل توضیح است. اما آنچه كه رخ می‏دهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای ساده‏تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را ۱۰۰۰كیلومتر در ساعت در نظر بگیرید.

(سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض كنید كه خودرویی در فاصله یك كیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیر متحرك). راننده داخل خودرو به مدت یك دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با ۱۰۰۰كیلومتر بر ساعت به سمت شما حركت می‏كند، بعد از ۶ ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این ۶ ثانیه در واقع مدت زمانی است كه طول می‏كشد صدا به شما برسد) و به مدت یك دقیقه پس از آن چه می‏شنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.

● پدیده داپلر:

شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فركانس) پایین‏تر و بم‏تر از آنچه كه راننده داخل خودرو و در حال حركت می‏شنود. راننده از شخصی كه خودرو به سمت آن در حال حركت است صدا را با نت پایین‏تر می‏شنود.

حال فرض كنید خودرو از فاصله‏ای دور با سرعتی معادل ۱۰۰ كیلومتر بر ساعت به سمت شما حركت كند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و به مدت همان یك دقیقه شستی بوق را فشارمی‌دهد می‏شود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت ۵۴ ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حركت خودرو رخ داده است.

در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان كوتاه‏تری به سمت شما آمده و از آنجائی‌كه تعریف فركانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را ۱ بر ۶۰ ثانیه تقسیم ‏كردیم و فركانس F۱ بدست می‏آمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر ۵۴ تقسیم كنیم كه مطمئناً عددی بزرگتر خواهد شد. این عدد بزرگتر یا فركانس بالاتر یعنی صدای «زیر»تر. همین توجیه نیز برای خودرویی كه از شما وجود دارد، در این حالت شما ۶۴ ثانیه صدای بوق را می‏شنوید كه فركانس حاصله در این حالت كمتر (یا صدای بم‏تر) خواهد بود.

● شكستن دیوار صوتی

اینك كه ما در حال بحث بر روی رابط صدا و سرعت هستیم می‏توانیم در مورد شكستن دیوار صوتی هم صحبت كنیم. فرض كنید آن خودرویی كه صحبتش بود با سرعتی معادل ۱۰۰ كیلومتر در ساعت به‌ سوی شما، آن هم در حال بوق زدن، حركت كند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذا نه از آن جلو زده و نه عقب می‏مانند، لذا در كل مدت حركت خودرو شما صدایی را نخواهید شنید.

اما در لحظه‏ای كه خودرو به شما می‏رسد، تمام امواج صوتی جمع شده و یكجا شما آنها را می‏شنوید. صدای بسیار بلند و با فركانس بسیار بالا.

این صدا توسط هواپیمایی كه قادرند با سرعتی معادل با سرعت صوت حركت كنند می‏تواند موجبات وحشت بسیاری از افرادی كه در زیر مسیر این هواپیما قرار دارند بوجود آورده قدرت این صدا به قدری است كه می‏تواند شیشه‏ها را بشكند.

چنین اتفاقی برای قایقها نیز رخ می‏دهد. منتهی در این میان تجمع امواج آب كه سرعتی در حدود سرعت این قایقها دارند. این موج متمركز بصورت V شكل از جلو قایق به طرفین حركت می‏كند كه زاویه این موج توسط سرعت قایق كنترل می‏شود. در واقع تجمع امواجی كه قایق در هر لحظه تولید می‏كند و هر لحظه بر آن می‏افزاید نیز توسط پدیده داپلر قابل توضیح است.

شما می‏توانید با استفاده از تركیبی از پژواك و پدیده داپلر بصورتی كه در زیر می‏آید استفاده كنید. در محلی كه ایستاده‏اید به سمت خودرویی كه در حال حركت (به سمت شما یا در خلاف جهت) اصواتی را بفرستید. بعضی از این اصوات پس از برخورد با خودرو به سمت شما باز می‏گردند. (پژواك) از آنجایی كه خودرو در حال حركت است لذا اصوات منعكس شده یا به هم فشرده می‏شوند (در حالی كه خودرو به سمت شما می‏آید) و یا از هم باز می‏شوند. در حالت حركت مخالف در هر دو صورت شما می‏توانید با مقایسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدست آورید.

● مفهوم رادار:

دیدیم كه می‏توان با استفاده از مفهوم پژواك 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 كه رادار صوتی چیست؟ این گونه رادار در زیردریایی‏ها و كشتی‏ها كاربرد دارد و همیشه در حال كار است. می‏توان از رادار صوتی در محیط آزاد نیز استفاده كرد، اما بخاطر چند اشكال ریز این گونه رادار در هوا استفاده نمی‏شود.

▪ صدا در هوا مسافت زیادی را نمی‏تواند بپیماید…. شاید در حدود ۵/۱ كیلومتر و یا كمی بیشتر

▪ هركسی می‏تواند صدا را بشنود لذا استفاده از صدا در محیط آزاد موجب آزار دیگران می‏شود كه البته می‏توان با بالا بردن فركانس صدای مورد استفاده و استفاده از امواج «فراصوت» این مشكل را حل كرد.

▪ صدای منعكس شده حاصل از پدیده پژواك بسیار ضعیف می‏باشد به طوری كه دریافت آن بسیار سخت است.

▪ سمت چپ:

آنتن های مجموعه مخابراتی فضایی گلدستون (بخشی از شبكه ارتباطی فضایی ناسا) كه به ارتباطات مخابراتی رادیویی فضاپیماهای میان سیاره‏ای ناسا كمك می‏كند.

▪ سمت راست:

رادار جست وجوی سطح و هوا كه بر روی نوك دكل یك موشك هدایت شونده قرار گرفته است.

حال بیایید در مورد یك نمونه واقعی راداری كه برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بكار می‏رود صحبت كنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن كردن فرستنده قوی‏اش یك دسته موج رادیویی متراكم در آسمان و در جهات مختلف پخش می‏كند. این ارسال برای چند میكروثانیه صورت می‏پذیرد، حال فرستنده خاموش شده و گیرنده سیستم رادار مترصد دریافت پژواك امواج كه به همراه اطلاعات حاصل از پدیده داپلر نیز هستند می‏ماند.

امواج رادیویی با سرعتی معادل سرعت نور حركت می‏كنند، تقریباً در هر میكروثانیه ۳۰۰ متر را در فضا طی می‏كنند؛ حال اگر سیستم رادار مذكور دارای یك ساعت بسیار دقیق و قوی باشد، می‏تواند با دقت بسیار بالایی موقعیت هواپیما را مشخص كند، با استفاده از روشهای خاص پردازش سیگنال برای تحلیل پدیده داپلر بر روی موجهای برگشتی می‏توان به دقت سرعت هواپیما را مشخص كرد.

آنتن رادار یك دسته كوچك اما قدرتمند پالس امواج رادیویی از یك فركانس مشخص را در فضا می‏فرستند. هنگامی كه امواج به یك جسم برخورد می‏كنند منعكس شده و در اثر پدیده داپلر فشرده‏تر یا گسسته‏تر می‏شوند. همان آنتن وظیفه دریافت امواج منعكس شده را كه البته بسیار كمتر از امواج ارسالی هستند بر عهده دارد.

در رادارهای زمینی قضیه خیلی پیچیده‏تر از رادارهای هوایی است، هنگامی كه یك رادار پلیس به ارسال پالس موج رادیویی می‏پردازد بخاطر وجود اجسام بسیار در سر راهش مانند نرده‏ها، پلها، تپه‏ها و ساختمانها پژواكهای بسیاری را دریافت می‏دارد، اما از آنجایی كه تمام این اجسام ثابت هستند به جزء خودروها مورد نظر، لذا سیستم رادار خودروهای پلیس از میان امواج منعكس شده، فقط آنهایی را انتخاب می‏كند كه در آنها پدیده داپلر قابل شناسایی است، آن هم به اندازه‏‏ای كه جسم متحرك اضافه سرعت داشته باشد، در ضمن آنتن این رادارها بسیار دهانه تنگی دارند، چرا كه فقط بر روی یك خودرو تنظیم می‏شوند.

البته امروزه پلیسها در برخی كشورها از جمله كشور خودمان از تكنولوژی لیزر برای تعیین سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده می‏كنند. تكنولوژی به نام «لیدار» شناخته می‏شود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمركز (یا همان لیزر) استفاده می‏شود.