رادار
رادار دستگاهی است که امواج الکترومغناطیسی را پخش می کند و برای ردیابی اجسام مختلف در شرایط متفاوت بکار می رود. نمی توان رادار از اختراعهای انسان به شمار آورد، بلکه باید آن را کشف یک قانون معمولی طبیعت دانست.
مقدمه
خیالپردازی در بسیاری از مواقع به حقیقت می پیوندد. 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 صخره های عظیم تجربه کرده ایم. نور خورشید هم با استفاده از همین پدیده است که از سوی ماه و در هنگام شب به ما می رسد.
امواج رادیویی و الکترومغناطیس نیز قابلیت انعکاس و بازتاب دارند و رادار بر اساس همین خاصیت ساده بوجود آمد. ساده ترین 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 استفاده های فراوان و اساسی کرده و با تغییراتی جزئی برای خود وسیله ای سودمند ساخته است.
تاریخچه
نخستین بار در سال 1901 " هوگو ژرنسبارک " که او را "ژول ورن" آمریکایی می نامند، 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 می توانست 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 او یک مشکل اساسی داشت. امواج تا نقطه ای که او می خواست نمی رسیدند و تنها تا پنج هزار متر برد داشتند.
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 می آورد 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 به این ترتیب رادار لاوه بر استفاده وسیع در هوا ، سطح دریاها را هم به تسخیر خود در آورد.
مکانیسم عمل
همانطور که امواج دریا و امواج صوتی پس از رسیدن به مانعی منعکس می شوند، امواج الکترومغناطیسی هم وقتی به مانعی برخورد کردند، بر می گردند و ما را از وجود آن آگاه می سازند. به کمک امواج الکترومغناطیسی نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر می شویم، بلکه بطور دقیق تعیین می کنیم که آیا ساکن هستند یا از ما دور و یا به ما نزدیک می شوند؟ حتی سرعت جسم نیز بخوبی قابل محاسبه است. وقتی امواج منتشر شده از رادار ، به یک جسم دور برخورد می کنند، به طرف نقطه حرکت بر می گردند. امواج برگشتی توسط دستگاههای خاص در مبدا تقویت می شوند و از روی مدت رفت و برگشت این امواج ، فاصله بین جسم و رادار اندازه گیری می شود.
کاربردها
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 حمله های 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 می فرستادند، با کمک رادارها شناسایی شدند و در عملیات گوناگون خود دچار شکست گردیدند.
رادارها حتی در توپخانه ها ، 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 ه 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 آنبود که سفینه ها بتوانند از سطح سیارات عکسبرداری کنند. بنابراین رادار علی رغم خرابی هاییکه با گسترده تر کردن جنگلها 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 کره 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، می تواند موانع دور و بر خود را تشخیص دهد. خفاش هنگام پرواز فریادهای ابر صوتی خاصی ایجاد می کند که پس از برخورد با اجسام مختلف ، منعکس می شود و به گوش خفاش می رسد. بوسیله همین پژواک صداهای ابر صوتی است که نوع مانع و فاصله آن را تشخیص می دهد و طوری پرواز می کند که از تصادم با آنها در امان باشد.
بالنها و دلفینها نیز از همین پدیده بازتاب استفاده می کنند که در مورد بازتابهای صوتی به آن "سونار" گفته می شود
رادارها چگونه کار می کنند؟
رادارها از جمله تجهیزاتی هستند که کاربردهای متنوع و مختلفی دارند. مثلا کاربران نظامی یا کاربران کنترل ترافیک هوایی از آن برای کنترل و هدایت مسیر هواپیماها روی زمین و یا در آسمان استفاده می کنند، ایستگاه های هواشناسی از رادارها جهت پیگرد و شناسایی مسیر حرکت ابرها و توفان ها یا گردبادهای مختلف استفاده می کنند.
حتی انواع ساده تری نیز وجود دارند که شاید تا به حال به آنها توجهی نکرده ایم، برای مثال در بازکن های خودکار (با نزدیک شدن انسان یا اجسام به در، آنها خود به خود گشوده می شوند) از این جمله و نوعی از رادارها هستند، بنابراین امروزه رادارها یک فناوری بسیار کارآمد محسوب می شوند. این تجهیزات معمولا برای سه منظور به کار می روند که عبارتند از:
– تعیین فاصله نسبت به یک جسم یا اجسام: معمولا برای اجسامی که در حرکت هستند مانند هواپیماها، کشتی ها، قایق ها و… این نوع از رادارها می توانند ساده یا بسیار پیشرفته باشند که انواع پیشرفته حتی می توانند برای مثال، نوع و مدل هواپیما را نیز شناسایی کنند.
– تعیین سرعت یک جسم متحرک
– جهت تهیه نقشه: سفینه های فضایی و ماهواره ها معمولا از این نوع رادارها جهت تهیه نقشه های سه بعدی از سطح سیارات و کرات دیگر استفاده می کنند.
رادارها برای انجام موارد یاد شده از فنون مربوط به انتشار و انعکاس امواج رادیویی بهره می برند.
پژواک یا انعکاس صدا:
این ویژگی است که همه شما تا به حال آن را آزموده اید، بر این اساس اگر کسی در یک دالان و یا یک چاه فریاد بکشد طنین صدای خود را با تاخیر چند لحظه ای دوباره خواهد شنید. پژواک صدا هنگامی روی می دهد که امواج صوت پس از برخورد به سطوح مختلف دوباره انعکاس می یابند و به سمت فرستنده بازمی گردند. فاصله زمانی میان ارسال صدا و دریافت مجدد آن، وابسته به میزان مسافت بین فرستنده امواج و سطح منعکس کننده آن ها است. رادارها نیز به کمک ارسال امواج رادیویی و دریافت امواج بازتابیده یا منعکس شده از طرف اجسام قادرند تا فاصله و سرعت حرکت اجسام را برآورد و تعیین کنند.
این شیوه در زیر آب برای زیردریایی ها و خارج از آب و در هوا برای دیگر تجهیزات کاربرد دارد که البته رادارهای صوتی که خارج از آب به کار می روند چند مشکل دارند که به شرح زیر است:
– امواج صوتی، از آنجا که قابلیت شنیده شدن را دارند، ممکن است صداهای ناشی از یک رادار صوتی، برای شما و یا همسایگان اطراف، آزاردهنده و نامطلوب باشند.
– امواج صوتی بازتابیده شده بسیار ضعیف هستند و تشخیص آنها به سختی صورت می گیرد.
– عدم توانایی در ارسال امواج صوتی تا مسافت های دور.
البته بسیار یا بهتر بگوییم که تمامی مشکل های یاد شده با استفاده از رادارهای فراصوتی به جای رادارهای صوتی قابل برطرف شدن است. بر این اساس رادارها از امواج رادیویی به جای امواج صوتی استفاده می کنند. این امواج تا مسافت های بیشتری ارسال می شوند، نامرئی بوده و حتی در صورتی که ضعیف باشند نیز به راحتی قابل تشخیص و دریافت خواهند بود.
با نگاهی به عملکرد یک رادار کنترل هوایی با ساختار این تجهیزات بیشتر آشنا می شویم. راداری که برای کنترل هواپیماها در هوا به کار گرفته می شود، قادر است تا امواج رادیویی با فرکانس بالا را با توان زیاد به صورت هر یک میلیونیم ثانیه یک بار، ارسال کند. به بیان دیگر هر فرستنده و گیرنده رادار، هر ثانیه را به یک میلیون بخش تقسیم کرده و در هر بخش به طور متناوب یک قسمت ارسال و یک قسمت دریافت انجام می دهند. به طوری که در زمان قطع ارسال (هنگام دریافت) منتظر شنیدن امواج برگشتی می ماند. با توجه به سرعت انتشار امواج رادیویی که برابر سرعت انتشار نور است، رادارها قادرند تا براساس اختلاف زمان میان ارسال و دریافت مجدد انعکاس امواج، فاصله و سرعت هواپیماها را دقیقا برآورد کنند.
جالب توجه است که در رادارهای مخصوص کنترل زمینی، تداخل بیشتری نسبت به رادارهای هوایی به وجود می آید چرا که در مسیر امواج این نوع از رادارها اجسام بیشتری از قبیل کوه ها، درختان، ساختمان ها و پل ها و… وجود دارند.
رادارهای ردیابی سرعت چگونه کار می کنند؟
این روزها همه ما شاهد تخلفات مختلف رانندگی و از جمله سرعت غیرمجاز و بسیار زیاد در بزرگراه های شهر هستیم به طوری که "سرعت غیرمجاز" دیگر به شکل یک قانون شکنی عادی و روزمره درآمده است. در این حال نیروهای پلیس و کنترل ترافیک در سراسر دنیا، برای مقابله و برخورد با تخلفات سرعت غیرمجاز خودروها، از نوعی از رادارها که به آن ها رادارهای ردیابی گفته می شود استفاده می کنند:
برای آشنایی با چگونگی کارکرد رادارهای ردیاب، ابتدا باید بدانیم که آنها قرار است چه چیزی را ردیابی کنند؟
این تجهیزات بیشتر جهت کشف و اندازه گیری مقدار سرعت وسایل نقلیه به کار می روند، که به اصطلاح "اسلحه سرعت" نیز نامیده می شوند. این وسایل چیزی نیستند جز یک فرستنده و گیرنده رادیویی که در قالب یک دستگاه واحد عرضه شده اند. فرستنده رادیویی موجود در این تجهیزات، با ایجاد نوسان، امواج الکترومغناطیسی را روی بسامدهای مشخصی منتشر می کند. همچنین در مدار فرستنده یک تقویت کننده امواج نیز تعبین شده است تا قدرت ارسال دستگاه بیشتر شود.
اما بخش گیرنده این دستگاه درست معکوس قسمت فرستنده عمل می کند، یعنی امواج الکترومغناطیسی را پس از دریافت از طریق آنتن، به جریان الکتریسیته تبدیل می کند. همان طور که اشاره شد، رادارها از امواج رادیویی برای شناسایی و تغییر حالت های اجسام گوناگون استفاده می کنند به طوری که در زمانی که امواج رادیویی را در جهت یا جهاتی منتشر می کنند، گیرنده آنها منتظر دریافت امواج بازتابیده (منعکس شده) از طرف اجسامی است که در مسیر سیگنال های ارسالی قرار دارند. امواج رادیویی در هوا با سرعت مشخصی حرکت می کنند، بنابراین دستگاه های رادار با محاسبه فاصله زمانی میان ارسال تا دریافت امواج بازتابیده قادرند تا فاصله جسم و سرعت و حتی جهت حرکت آن را آشکار سازند.
فرآیند محاسبه سرعت اجسام بر این اساس انجام می گیرد که اگر جسمی نسبت به رادار ثابت باشد، امواج ارسالی از رادار پس از برخورد به آن با حفظ مشخصات سیگنال ارسالی به رادار منعکس و منتقل می شوند ولی اگر جسم یا مثلا اتومبیل در حال حرکت باشد، سگینال رادیویی ارسال شده از رادار، بعد از برخورد با آن دچار دگرگونی و تغییر (پراکندگی) شده و هر قسمت از آن از جهت متفاوتی به سوی رادار بازخواهد گشت نه به صورت متمرکز.
حال بر مبنای جهت حرکت خودرو نسبت به موقعیت استقرار رادار، قسمت های مختلف سیگنال های بازتابیده به مرور ممکن است دیرتر و یا زودتر از قسمت های قبلی به رادار برگردند. برای مثال، در صورتی که یک خودرو در حال حرکت بوده و جهت حرکت آن طوری است که هرچه پیش می رود از رادار دورتر می شود، در این حالت رادار سیگنال ها را در هر لحظه با تاخیر بیشتری نسبت به قبل دریافت می کند و بالعکس در صورتی که خودرو به سمت رادار حرکت کند و به آن نزدیک شود سگینال ها به مرور با تاخیر کمتری به گیرنده منعکس می شوند، زیرا در هر لحظه از فاصله میان خودرو و رادار کاسته می شود. در نتیجه دستگاه های "اسلحه سرعت" با محاسبه و بررسی تغییرات سگینال های دریافتی قادرند تا میزان سرعت و جهت اجسام متحرک و خودروها را تخمین زده و تعیین کنند.
نکته مهم آن که اگر یک "اسلحه راداری" از درون یک خودرو که خود در حال حرکت بوده و برای مثال سرعت آن 50 کیلومتر در ساعت است، مورد استفاده قرار گیرد، هنگامی که بخواهیم سرعت یک خودرو را که در جهت مخالف حرکت می کند محاسبه کنیم، آشکار ساز رادار پس از هدف گیری سرعت آن را 20 کیلومتر در ساعت تعیین می کند اما حقیقت آن است که در چنین شرایطی سرعت خودروی مقابل 70 کیلومتر در ساعت است.
اخیرا نوع جدیدی از این نوع رادارها توسط پلیس به کار می روند که با امواج نوری کار می کنند، این گونه وسایل که به نام "اسلحه سرعت لیزری" شناخته می شوند امروزه کاربرد وسیعی دارند.
اساس کار در رادارهای لیزری به این گونه است که دستگاه با ارسال پرتوی لیزری مادون قرمز هنگام عبور یک وسیله نقلیه از جاده فاصله زمانی قطع و وصل شدن مسیر پرتو که به علت عبور خودرو انجام می گیرد را سنجیده و سرعت آن را تخمین می زند. این تجهیزات هم به صورت دستی می توانند مورد استفاده قرار گیرند و هم به طور ثابت نصب و سرعت خودروهای عبوری را به صورت خودکار ثبت و ضبط کنند. در این حالت دستگاه براساس برنامه ریزی قبلی، می تواند طوری تنظیم شود که هنگام عبور خودروهایی با سرعت بیش از حد مجاز تعیین شده، دوربین تعبیه شده در سیستم از آن (شماره پلاک و چهره راننده) یک عکس تهیه کرده و آن را به مرکز کنترل پلیس ارسال کند.
12