بخشی از مقاله
رادار Radar
چکيده : رادار وسيله اي است که با بهره گيري از ارسال امواج الکترومغناطيسي و دريافت آن وجود هدف ، موقعيت آن در فضا ، سرعت شعاعي و اندازه هدف و جزئيات ديگري در مورد آن را مشخص مي کند. در اين مقاله به چگونگي ابداع رادار ، کاربردهاي رادار و انواع رادار پرداخته شده است .
در ادامه درباره دو نمونه از رادارها (رادار روزنه مصنوعي SAR و رادار ماوراي افق OTH -HF و مبحثي به نام کلاتر رادار پرداخته شده است .
کلمات کليدي : رادار-رادارSAR-رادار(HF)OTH-کلاتر
١-مقدمه
با پيش بيني وجود امواج الکترومغناطيس توسط ماکسول و تلاش دانشمندان ديگر همچون هرتز و مارکني جهت تحقق عملي آن پيش بيني ها مخابرات جديد پا به عرصه وجود نهاد و به مرور ضمن پيشرفت فني ، بهره برداري هاي معقول از اثرات اعجاب انگيز امواج الکترومغناطيسي متاسفانه از اين امواج در جهت استعمار و تقويت کاربردهاي سلاح هاي کشتار جمعي استفاده گرديد و اولين بهره برداري نادرست از آن در جنگ جهاني دوم با ساخت و بکارگيري رادار نظامي صورت گرفت . هر چند رادار به تنهايي ابزار سودمندي است ليکن به کاربردهاي نظامي آن بيش از ساير موارد توجه مي شود. اگر چه رادار منفجر نمي شود و کشنده نيست ولي مي تواند برد و دقت شليک سلاح هاي قوي را تا چند برابر افزايش دهد . به عبارت ديگر اهميت شناسايي هدف ، هدايت و کنترل آتش موشک ها و انواع سلاح ها از اهميت خود آن موشک ها و سلاح هاي مخرب به مراتب بيشتر است لذا از ابتداي بکارگيري رادار به منظور کاهش تهديدات راداري و در خفا نگهداشتن اهداف حياتي از ديد آن اقدامات زيادي صورت گرفته و از سيستم ها و مواد جاذب الکترومغناطيس در اين رابطه بهره برداري شده است . البته با توجه به تنوع زياد رادارها از طرفي پهنه ي فعاليت آنها در زمينه مقابله بسيار گسترده شده و از طرف ديگر هر زمان که اقدام موفقيت آميزي عملکرد نوع خاصي از رادارها را مختل مي نمود نوع پيشرفته تري از آن رادارها را مختل مي نمود نوع پيشرفته تري از آن رادار طراحي گرديد.
ناگفته نماند کاربردهاي غيرنظامي رادار همچون کنترل ترافيک فرودگاه ها و جاده ها ، ناوبري هوايي و دريايي ، شناسايي کرات و اجرام آسماني ، نقشه برداري ، شناسايي معادن زيرزميني و کاربردهاي زمين شناسي و پزشکي در جهت رفاه زندگي بشر بسيار موثر بوده است .
٢-رادار چگونه ابداع شد؟
شواهد حاکي است که سيستمي مثل رادار احتمالا در يکي از روزهاي سال ١٨٧٣ بايد کشف شده باشد و اين در شرايطي بود که يکي از دانشمندان سرشناس بنام جيمز کلارک ماکسول نظريه اي ارائه کرد که بر طبق آن امواج نوراني و امواج دريايي ( که او در ابتدا آنها را تشعشع ناميده بود ) در بسياري از مشخصه ها مشابه هم هستند. او در يکي از قسمتهاي نظريه اش پيش بيني کرده بود که تشعشع يا امواج راديويي احتمالا با همان سرعت نور جابجا مي شوند و ضمنا امواج راديويي درست مانند امواج نوراني پس از برخورد به مانع ، منعکس مي شوند.
١٥ سال بعد يکي از دانشمندان بنام هرتز گفته هاي ماکسول را تاييد کرده و ثابت کرد که اين امواج قابل توليد هستند. وي با کوشش هاي فراواني که کرد و با تجهيزات ابتدايي که داشت توانست امواج راديويي را فقط در حدود چند فوت جابجا کند ولي در هر صورت ثابت کرد که امواج راديويي با فرکانس بالا قابل انعکاس بوده و يا استفاده از دستگاههاي مخصوصي که جهت تمرکز اشعه نوراني بکار مي روند مي توان امواج راديويي را نيز در يک نقطه متمرکز نمود.
تحقيقات او همچنين ثابت کرد که سرعت سير امواج راديويي و نوراني با هم برابرند و البته اين پيرو تحقيقات زيادي بود که او در مورد فرکانس و طول موج اين امواج انجام داد.
چند سال بعد ، مارکوني آزمايش هاي زيادي انجام داد تا توانست امواج راديويي را به فواصل دور انتقال دهد . کمي بعد تر خود وي اعلام کرد که امواج منعکس شده راديويي را که ناشي از برخورد آنها با اجسامي که در فاصله چندين مايل دورتر قرار دارند آشکار ساخته است و نظرياتي را اعلام کرد که بعدا منجر به ابداع سيستم جديدي به نام رادار گرديد. به اين ترتيب ثابت شد که با استفاده از امواج راديويي بشر قادر است حضور اجسام را در فواصل دور شناسايي کرده و فواصل و موقعيت آ نها را نسبت به يک فرستنده مشخص ارزيابي کند.
وي در ادامه تحقيقاتش در سال ١٩٢٥ تجربيات جديد را ارائه کرد . يکي از مفاد اين تجربيات اين بود که طبيعت و فاصله لايه هاي يوني اتمسفر که امواج راديويي را منعکس مي کنند به چه صورتي است . در انجام اين آزمايشات يک اشعه مختصر اما پر قدرت راديويي را به جو فرستاده و زمان برگشت سيگنال فرستاده شده را اندازه مي گرفتند.
از سال ١٩٣٠ به بعد که آلمان شروع به تسليح مجدد خود نمد کشورهاي اروپايي که خود را در معرض حمله مجدد آلمان مي ديدند به فکر ساختن سيستمي شدند که هواپيماهاي آنان را از گزند بمب افکن هاي آلمان در امان بدارد.
در آن زمان حتي صحبت بر سر کشف اشعه جديد و مرگ آوري بود که هر چه را که بر سر راه خود مي يافت نابود مي کرد. البته کشف يا ابداع چنين اشعه اي در همان مرحله حدسيات و پيش گويي هاي اوليه باقي ماند . چند سال بعد در ١٩٣٥ رابرت واتسون وات با نصب پنج ايستگاه راديويي مختلف در پنج منطقه مختلف امکان محافظت کشورش را در برابر حملات دشمن فراهم نمود.
عملکرد اين سيستم آنقدر جالب بود که چند سال بعد فرانسه هم لزوم نصب چنين سيستمي را احساس کرده و اقدام به ساخت و نصب آن نمود.
به اين ترتيب سيستم هاي نصب شده حمله هواپيماهاي آلماني به يک يا چند نقطه مخصوص را گزارش داده و وضعيت آنها را مشخص مي کردند.
به تدريج و با گذشت زمان اين وسيله ساده جاي خود را به سيستم هاي کامل تر و جالب تري داد به اين ترتيب که سيستمي که ابتدا در بريتانيا بعنوان Radio Detection Finding نام گذاري شده بود بعدها در امريکا با نام راديوي جهت دار يا رادار که ترکيبي از حروف اول کلمات عبارت آشکارسازي و اعلام راديويي است خوانده شد.
٣-چگونگي عملکرد رادارها
اصول کار کليه سيستم هاي رادار از جهت فرستنده و گيرنده يکسان است و تنها نوع موج ارسالي آن هاست ک رادارها را از هم متمايز مي کند. فرستنده رادار امواج خود را به سمت آنتن ارسال مي کند که در بين مسير از يک سير کولاتور عبور داده مي شود.
سيگنال فرستنده که با توان بالايي ارسال شده است توسط هدف منعکس و يا دوباره از راه همان آنتن و يا آنتن گيرنده ديگر دريافت مي شود. در اولين مرحله سيگنال منعکس شده آشکار شده با سيگنال ارسالي فرستنده مقايسه مي شود و پس از فيلتر شدن ( جهت کاهش نويز ) تقويت و پردازش سيگنال ، اطلاعات خروجي و وضعيت هدف توسط نمايشگر نمايش داده مي شود.
محدوده ي فرکانسي رادار مي تواند در باندهاي مختلف فرکانسي باشد. نوع کاربرد رادار در انتخاب باند فرکانسي آن موثر است بعنوان مثال مي توان براي ديده باني و مراقبت برد زياد از باندهاي VHF ,UHF ( به دليل خواص انتشاري مناسب ) استفاده نمود.
٣-١- کاربردهاي غير نظامي
به برخي از کاربردهاي غيرنظامي رادار که در جهت صلح و آرامش و راحتي زندگي انسان استفاده مي شود بطور اختصار اشاره مي
گردد:
١ کنترل ترافيک هوايي : کنترل ترافيک و اعلام وضعيت هوايي در اطراف فرودگاهها و در برخي از هواپيماهاي پيشرفته در ياري رساندن به خلبان هنگام فرود در وضعيت بد آ ب و هوايي که ديد کافي ندارد.
٢ ناوبري هوايي و دريايي : جهت نشان دادن موقعيت ، سرعت ، مسافت طي شده و مسير يابي در هر لحظه .
٣ جلوگيري از تصادف کشتي ها : استفاده از يک رادار کوچک با برد محدود در جلوي کشتي جهت شناسايي موانع مقابل کشتي .
- فضايي : سنجش از دور و شناسايي اجرام و کرات آسماني
- کنترل سرعت : کنترل سرعت خودروها در بزرگراه ها توسط پليس
- کنترل خط توليد : کنترل خط توليد و سرعت بهره برداري از خطوط
٤ هواشناسي : پيش بيني وضعيت آب و هواي مناطق مختلف با استفاده از جهت وزش باد و ساير عوامل موثر
٥ زمين شناسي : بررسي و شناسايي وضعيت اقيانوس ها ، درياها ، منابع زيرزميني ، معادن و آتشفشانها
٦ کشاورزي : محاسبه ميزان اراضي زير کشت و برآورد محصولات مختلف کشاورزي [ با توجه به آنکه محصولات مختلف کشاورزي داراي خواص الکترومغناطيسي (انعکاس امواج ) متفاوتي است .]
٣-٢- کاربردهاي نظامي
کاربردهاي نظامي رادار داراي طيف و انواع گسترده اي است که در اين جا به چهار نوع از اين کاربردها اشاره مي شود:
١ ديده باني ، مراقبت و تعيين مشخصات هدف Early Warning با توجه به نوع کاربرد ، باند فرکانسي اين رادارها و مشخصات آنها متفاوت است و برد آنها تا حدود ٤٠٠ کيلومتر قابل افزايش است .
٢ ناوبري نظامي Navigation : هدايت هواپيما در حين پرواز و هنگام فرود و صعود و تعيين ارتفاع و سرعت هواپيماي نظامي .
٣ کنترل و هدايت آتش Fire control system : کنترل و هدايت آتش که بنا به چگونگي بهره برداري (هوا به هوا زمين به هوا زمين به دريا و هوا به زير دريا ) متفاوت مي باشد. ( در اين مورد از رادارهاي تک پالسي استفاده مي شود)
٤ رديابي (Tracking) : مشخص کردن مسير و مقصد اهداف متحرک مانند هواپيما يا موشک هاي بالستيک. (برد رادارهاي فوق بسيار از رادارهاي کنترل و هدايت آتش است ولي از نظر اصول کار شبيه يکديگرند)
٤-انواع رادار:
رادارها با توجه به فرکانس کار ، محيط عمل ، قدرت فرستنده ، حساسيت گيرنده ، نوع آنتن و چندين عامل ديگر دسته بندي و هر يک در موارد خاصي به کارگيري مي شود و معمولا هر دسته نوع خاصي از فرستنده و سيستم پردازش سيگنال را مورد استفاده قرار مي دهد.
٤-١-رادارهاي پالسي
در اين رادارها موج ارسالي به صورت يک پالس با فرکانس مشخص به نام PRF (فرکانس تکرار پالس ) مي باشد. نسبت دوره تناوب
PRT زمان تکرار پالس به عرض پالس را نسبت به زمان کار مي گويند. رادارهاي پالسي با توجه به دوره تناوب و نسبت زمان کار
داراي تنوع بوده که به مواردي از آنها اشاره مي شود:
١ رادارهاي پالسي معمولي : در اين رادارها معمولا عرض پالس در حدود چند ميکروثانيه است و نسبت زمان کار بين حدود ٠.٠١ تا ٠٠١. تغيير مي کند. از اين رادارها جهت هواشناسي و ديده باني و مراقبت هوايي استفاده مي شود.
٢ رادارهاي پالسي با قدرت تفکيک بالا (High Resolution): در اين رادارها عرض پالسي بسيار کوچک انتخاب مي شود و چون ميزان دقت در تشخيص فاصله توسط عرض پالسي مشخص مي گردد داراي دقت بالايي در تشخيص فاصله هدف مي باشد. ( هر قدر عرض پالس کوچکتر باشد محاسبه فاصله دقيقتر است .) اين رادارها براي آشکارسازي اهداف ساکن در حضور کلاتر ( سيگنالهاي برگشتي ناخواسته به صفحه رادار ) و نيز تشخيص يک هدف در ميان چند هدف نزديک به هم قابل استفاده مي باشد.
٣ رادار پالس فشرده (Pulse Compression) : اين رادار از پالس هاي با عرض زياد استفاده مي نمايد و براي افزايش دقت از مدولاسيون فاز يا فرکانس در هر پالس استفاده مي کند. در نتيجه ضمن افزايش پهناي باند تشخيص دقيق فاصله اهداف نيز حاصل مي شود و نسبت به رادار نوع قبلي داراي اين مزيت است که توان پيک (حداکثر توان ) فرستنده را در حد معتدلي نگاه مي دارد.
٤-٢-رادار موج پيوسته (CW)
اين رادار داراي نسبت زمان کار واحد مي باشد يعني موج ارسالي به صورت پيوسته است . اين نوع رادار نيز داراي انواع مختلف به
ترتيب زير است :
رادار موج پيوسته معمولي : در اين نوع رادار مي توان سرعت و جهش حرکت هدف را در راستاي خط واصل رادار تشخيص داد و امکان تشخيص فاصله به دليل عدم استفاده از هرگونه مدولاسيون وجود ندارد و معمولا در ناوبري هوايي کاربرد دارند.
٢ رادار موج پيوسته مدوله شده فرکانس : در اين رادار از مدولاسيون فرکانس براي افزايش پهناي باند و ايجاد امکان تشخيص فاصله استفاده مي شود. از مهم ترين کاربردهاي اين نوع رادار ارتفاع سنجهاي هواپيما مي باشد.
٣ رادار موج پيوسته چند فرکانسه : در اين نوع رادار با توجه به اختلاف فاز موج دريافتي از يک هدف در فرکانسهاي مختلف مي توان فاصله هدف را تشخيص داد.
٤-٣-رادار آشکار ساز اهداف متحرک (هوايي )
اين رادار يک رادار پالسي است که قادر به آشکارسازي اهداف متحرک در حضور کلاترهاي فوق مي باشد. شکل موج ارسالي يک قطار پالس معمولي با فرکانس تکرار پالس کم مي باشد لذا رادار فوق امکان تشخيص فاصله را فراهم مي کند. شکل سرعت هاي کور (سرعتهايي که امکان تشخيص و سنجش آنها نيست ) در اين رادارهاي وجود دارد.
٤-٤رادار روزنه مصنوعي (Synthetic Aperture Radar)
در اين رادار معمولا بيم آنتن در جهت عمود بر مسير حرکت تنظيم مي شود و داراي دقت بالايي در زاويه است .
عملکرد آنها مانند يک آنتن ساکن با تعداد زيادي آرايه مي باشد. خروجي اين نوع رادار يک تصوير با دقت بالا از صحنه ي مورد نظر مي باشد. رادارهاي فوق به دليل ايجاد تصاوير دقيق کاربردهاي فراواني در علم زمين شناسي و جغرافي و همچنين در امور نظامي پيدا کردند. اين رادار حتي قادر به ايجاد تصاوير سه بعدي از اشيا و اهداف مي باشد.
٤-٥-رادار SLAR
اساس کار اين رادار مانند رادار SAR است اما جهت ديد آنها از کنار مي باشد يعني به کمک اين رادار مي توان بدون نزديک شدن به هدف از فواصل بسيار دور از آن تصويربرداري کرد البته دقت تصاوير ايجاد شده کمتر از رادار SAR است .
٤-٦-رادار ردياب
اين رادار به طور پيوسته هدف را نسبت به رادار تشخيص مي دهد و مسير حرکت متحرک را دنبال مي کند به عبارت ديگر رديابي فاصله معمولا در رديابي زاويه نهفته است .
٤-٧-رادار TWS
اين رادار دو نوع دارد : نوع اول داراي آنتن گردان است و رديابي هدف از طريق مقايسه ي انعکاسات مختلف از هدف در طي دو چرخش متوالي آنتن حاصل مي شود. از اين نوع رادار جهت ديده باني و مراقبت هوابرد استفاده مي شود. نوع دوم راداري است که آنتن آن سريعا زاويه کوچک را جاروب مي کند تا موقعيت زاويه اي هدف را بيابد. از اين رادار در فرود هواپيما و کنترل آتش استفاده مي گردد.
٤-٨-رادار OTH -HF
اين رادار در باند HF عمل مي کند و برد آن به دليل انتشار در لايه اتمسفر بسيار زياد است و در بعضي مواقع به ٤٠٠٠ کيلومتر نيز مي رسد. اين رادار قادر به آشکارسازي اهداف هوايي بزرگ مانند هواپيما و موشک هاي بالستيک و همچنين اهداف دريايي باشد و به دليل برد زياد توان ارسالي بالايي حدود چند صد کيلو وات نيز دارد.
٤-٩-رادار پالس دوپلري
اين رادار بصورت پالسي عمل مي کند و مي تواند اهداف متحرک را در حضور کلاترهاي قوي آشکارسازي نمايد. در اين رادار ابهام در تشخيص سرعت از بين مي رود و سرعت کور وجود ندارد.
٤-١٠-رادار دريايي
علي رغم اينکه کار گيرندگي و فرستندگي رادار دريايي و غيردريايي يکسان است اما با توجه به وجود کلاترهاي خاص دريايي بايد ملاحظات ويژه اي را لحاظ نمود.
از مهمترين عوامل کلاترها مي توان وجود طوفان و باد و رطوبت را برشمرد. سيگنالهاي کلاتر دريايي عامل محدود کننده عمده در شناسايي اهداف نزديک آب و يا روي آب مي باشد. ميزان سيگنال کلاتر دريافتي تابعي از رادارهاي معروف دريايي فاصله هدف ، پهناي پالس رادار ، سرعت و جهت وزش باد و پلاريزاسيون موج تابش مي باشد. رادارهاي معروف دريايي اغلب در باند ٨ الي ١٢ گيگاهرتز و در باند C ٤ الي ٨ گيگاهرتز جهت ديده باني و مراقبت نزديکي طراحي مي شود.
