رادار (جامع)

[Isengard]

مثالي عینی 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.

[Isengard]

فضایی :

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.

[Isengard]

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.

[Isengard]

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 :

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

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

شناخت نوع ريزش (باران، تگرگ، برف و …)

شناخت موقعيت و ارزيابي انواع سيكلونهاي حاره‌اي و توفندها

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

[Isengard]

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

[Isengard]

رادار تصويري:

گاه امکان بررسي اجسام از نزديک وجود ندارد . براي مثال جهت بررسي سطح اقيانوس ها نقشه برداري از اراضي جغرافيايي لزوم ساخت وسايلي که بتوانند از راه دور اين کاررا انجام دهند به چشم مي خورد . با دستيابي به تکنولوژي سنجش از راه دور بسياري از اين مشکلات برطرف گشت . در واقع در اين روش امکان بررسي اجسام وسطوحي که نياز به بررسي از راه دور دارند را فراهم مي آورد . سنجش از راه دور رامي توان به دو بخش فعال وغير فعال تقسيم کرد . گستره طول موج امواج ميکرويو نسبت به طيف مادون قرمز ومرئي سبب گرديده تا براي سنجش از راه دور به وسيله امواج از اين طيف استفاده گردد .

عملکردسيستم هاي سنجش غيرفعال همانند سيستم هاي سنجش دما عمل مي کنند .دراينگونه سيستم ها با اندازه گيري انرژي الکترومغناطيسي که هر جسم به طور طبيعي از خود ساطع مي کند نتايج لازم کسب مي گردد .هواشناسي واقيانوس نگاري از کاربردهاي اين نوع سنجش مي باشد .

در سيستم هاي سنجش فعال از طيف موج ميکرويو براي روشن کردن هدف استفاده مي شود . اين سنسورها را مي توان به دو بخش تقسيم کرد : سنسورهاي تصويري وغيرتصويري (فاقد قابليت تصويربرداري).

از انواع سنسور هاي غير تصويري مي توان به ارتفاع سنج واسکترومتر ها(پراکنش سنج ) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنج ها در عکس برداري جغرافيايي وتعيين ارتفاع ازسطح دريا مي باشد .اسکترومتر که اغلب بر روي زمين نصب ميگردند ميزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گيري مي کنند . اين وسيله در مواردي همچون اندازه گيري سرعت باد در سطح دريا و کاليبراسيون تصوير رادار کابرد دارد .

معمول ترين سنسور فعال که عمل تصويربرداري را انجام مي دهد رادار مي باشد . رادارمخفف

ranging) (radio detection and بوده وبه معني آشکارسازي به کمک امواج ميکرويو است .به طور کلي مي توان عملکرد رادار را در چگونگي عملکرد سنسورهاي آن خلاصه کرد . سنسورها سيگنال هاي ميکرويو را به سمت اهداف مورد نظر ارسال کرده وسپس سيگنال هاي بازتابيده شده از سطوح مختلف را شناسايي مي کند . قدرت (ميزان انرژي) سيگنالهاي پراکنده شده جهت تفکيک اهداف مورد استفاده قرارمي گيرد . با اندازه گيري فاصه زماني بين ارسال ودريافت سيگنال ها مي توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزاياي شاخص رادار مي توان به عملکرد رادار در شب يا روز وهمچنين قابليت تصويربرداري درشريط آب و هوايي مختلف اشاره کرد . امواج ميکرويو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران مي باشند . از آنجاييکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهايي که با طيف هاي مرئي ومادون قرمز کار مي کنند متفاوت است لذا مي توان با تلفيق اطلاعات بدست آمده تصاوير دقيقي را بدست آورد.

[Isengard]

اصول رادار :

مهمترين نکته حائز اهميت در بخش قبل را ميتوان معرفي رادار به عنوان وسيله اندازه گيري معرفي کرد . اجزاء تشکيل دهنده سيستم رادار فرستنده , گيرنده آنتن وسيستم هاي الکتريکي جهت ثبت و پردازش اطلاعات مي باشد . همانطور که در تصوير مشاهده مي شود فرستنده ، پالس هاي کوتاه ميکرويو (A) را که بوسيله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز مي شوند(B) با فاصله زماني معيين توليد مي کند . آنتن راداربخشي از سيگنال هي بازتابيده شده (c) از سطوح مختلف را دريافت مي کند.
با اندازه گيري مدت زمان ارسال پالس و دريافت پژواک هاي پراکنده شده از اشياء مختلف مي توان فاصله آنها ودر نتيجه موقعيت آنها را تعيين نمود .با ثبت و پردازش سيگنال بازتابيده توسط سنسور تصوير دو بعدي از سطح مورد نظر تشکيل مي گردد

[Isengard]

پهناي باند :

از آنجاييکه گستره طيف امواج ميکرويو نسبت به طيف هاي مرئي ومادون قرمزوسيع تر مي باشد لذا اکثر رادار ها از اين طيف استفاده مي کنند . در رادارهاي تصويري اغلب از طول موج هاي زير استفاده مي شود:

·ka & k & ku band

·Xband

·Cband

·Sband

·Lband

·P_band

تمامي طول موج هاي استفاده شده در رادارهاي تصويري در محدوده سانتيمتر است . طول موج رادار در نحوه تشکيل تصوير موثر مي باشد . با افزيش طول موج شاهد تصاوير با کيفيت بهتر مي باشيم .در دو تصوير زير از دو طول موج متفاوت استفاده شده است . شما مي توانيد تفاوت آشکاري را که دراين تصاوير وجود دارد مشاهده نماييد . علت اين تفاوت تغيير در نحوه فعل وانفعال سيگنال با سطح اشياء ميباشد که در ادامه درباره اين موضوع صحبت خواهد شد

[Isengard]

قطبيدگي(polarization) :

هنگامي که در مورد امواج الکترومغناطيسي همانند امواج ميکرويو صحبت مي گردد بحث درباره قطبيدگي حائز اهميت مي باشد . قطبيدگي عبارت است از جهت ميدان الکتريکي در امواج الکترومغناطيسي . به طور کلي مي توان قطبيدگي امواج را به سه دسته تقسيم بندي کرد : قطبيدگي خطي و دايره اي وبيضوي .
اغلب رادار هاي تصويري از قطبيدگي خطي استفاده کرده , که اين نوع قطبيدگي را مي توان به دو بخش عمودي(vertical) وافقي (horizontal) تقسيم بندي کرد. اغلب سنسورهاي رادار طوري طراحي شده اند که قابليت ارسال وهمچنين دريافت امواج را به يکي از دو صورت بالا دارا هستند . در بعضي از رادارها دريافت وارسال امواج با ترکيبي از دو نوع قطبيدگي انجام مي پذيرد

به طور کلي مي توان چهارترکيب از قطبيدگي رادار در نظر گرفت :

·HH

·VV

·HV

·VH

حرف H نشان دهنده قطبيدگي افقي وحرفV نميانگر قطبيدگي عمودي ميباشد . درچهارترکيب بالا حرف سمت راست نحوه دريافت سيگنال را نشان مي دهد .

[Isengard]

هندسه رادار(radar geometry):

درسيستم تصويربرداري رادار هوايي با جابجانمودن سکو در يک مسير مستقيم که مسيرپرواز(flight direction)(A) ناميده مي شودعمل تصويربرداري انجام ميگردد . پاي قائم در صفحه تصوير را ندير(nadir)(B) مي ناميم .آنتن رادار امواج را براي روشن کردن نوارتصوير(swath) (C) ارسال مي کند . با قرار گرفتن نوارهاي تصوير در کنار هم ناحيه تصوير(track) (ناحيه خاکستري رنگ ) تشکيل مي گردد که اين ناحيه نسبت به خط ندير فاصله دارد . محور طولي ناحيه تصويرکه با مسير پروازموازي مي باشد را سمت(azimuth)(E) ومحورعرضي راکه برمسيرپروازعمود است را برد(range)(D) مي ناميم .