رادار به زبان ساده

امواج رادار چیزی است که در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه دیده نمی‏شود. 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 کرة 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 زیرزمین 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.

جابه‌جایی 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 داپلر» این دو پدیده به سادگی قابل فهم می‏باشند، چرا که هر روزه شما با آنها در حوزه شنوایی خویش برخوردارید. رادار از این دو پدیده در حوزة امواج رادیویی استفاده می‏برد.

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

پژواک و پدیده داپلر

پژواک پدیده‏ای است که شما هر روزه با آن برخورد دارید، اگر شما به داخل یک چاه و یا در یک دره فریاد بزنید، پژواک صدای شما چند لحظه بعد به گوشتان می‏رسد. در واقع شما صدایتان را باز خواهید شنید. پژواک بدین جهت رخ می‏دهد که بعضی از امواج صدای شما (به این دلیل واژه بعضی را آوردیم که صدای برخی از حیوانات مانند اردک در فرکانس خاص امواج صدای این حیوان هیچگاه پژواکی ندارد) پس از برخورد به یک سطح (که این سطح می‏تواند سطح آب، انتهای چاه یا دیوارة کوه موجود در انتهای دره باشد) به سمت شما باز می‏گردد و گوش شما دوباره آنرا می‏شنود. فاصله زمانی‌ای که بین فریاد شما تا شنیدن پژواک آن طول می‏کشد با فاصله مکانی بین شما و آن سطح بازگردانندة پژواک ارتباط دارد.

هنگامی که شما به داخل یک چاه فریاد می‏کشید، صدای شما از دهانة چاه به سمت انتهای چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهای چاه منعکس می‏شود. در این حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقیق بدانید، با اندازه‏گیری زمان رفت‏وبرگشت صدا می‏توانید عمق چاه را حساب کنید.

پدیدة داپلر نیز بسیار معمول است. شما هر روز (بدون اینکه حتی از آن درکی داشته باشید) آن را تجربه می‏کنید. این پدیده زمانی رخ می‏دهد که یک مولد امواج صوتی و یا منعکس کننده امواج صوتی دارای حرکت باشد. مثلاً یک خودرو که در حال بوق زدن است. حالت تشدید شدة پدیدة داپلر در شکستن «دیوار صوتی» رخ می‏دهد. در این جا به درک این پدیده می‏پردازیم (ممکن است شما برای اینکه بهتر این پدیده را درک کنید کنار یک اتوبان آن را تجربه کنید) فرض کنید که خودرویی با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حرکت باشد. تا زمانی‌که خودرو در حال نزدیک شدن به شماست فقط یک نت صوتی را می‏شنوید (در واقع یک فرکانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فرکانس صحبت کردیم)، اما هنگامی که خودرو به کنار شما می‏رسد صدای بوق ناگهان تغییر کرده و به عبارتی «بم» تر می‏شود و بعد از لحظه‏ای که از شما عبور کرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بم‏تر نیز می‏شود، در صورتی که شما می‏دانید که صدای بوق همیشه ثابت است، کما اینکه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعی بوق را می‏شنود. این تغییرات صوت شنیده شده توسط شما بوسیلة پدیدة داپلر قابل توضیح است. اما آنچه که رخ می‏دهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای ساده‏تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را 1000کیلومتر در ساعت در نظر بگیرید. (سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض کنید که خودرویی در فاصله یک کیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیر متحرک). راننده داخل خودرو به مدت یک دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با 1000کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت می‏کند، بعد از 6 ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این 6 ثانیه در واقع مدت زمانی است که طول می‏کشد صدا به شما برسد) و به مدت یک دقیقه پس از آن چه می‏شنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.

پدیده داپلر: شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فرکانس) پایین‏تر و بم‏تر از آنچه که راننده داخل خودرو و در حال حرکت می‏شنود. راننده از شخصی که خودرو به سمت آن در حال حرکت است صدا را با نت پایین‏تر می‏شنود.

حال فرض کنید خودرو از فاصله‏ای دور با سرعتی معادل 100 کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت کند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و به مدت همان یک دقیقه شستی بوق را فشارمی‌دهد می‏شود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت 54 ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حرکت خودرو رخ داده است.

در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان کوتاه‏تری به سمت شما آمده و از آنجائی‌که تعریف فرکانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را 1 بر 60 ثانیه تقسیم ‏کردیم و فرکانس F1 بدست می‏آمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر 54 تقسیم کنیم که مطمئناً عددی بزرگتر خواهد شد. این عدد بزرگتر یا فرکانس بالاتر یعنی صدای «زیر»تر. همین توجیه نیز برای خودرویی که از شما وجود دارد، در این حالت شما 64 ثانیه صدای بوق را می‏شنوید که فرکانس حاصله در این حالت کمتر (یا صدای بم‏تر) خواهد بود.

شکستن دیوار صوتی

اینک که ما در حال بحث بر روی رابط صدا و سرعت هستیم می‏توانیم در مورد شکستن دیوار صوتی هم صحبت کنیم. فرض کنید آن خودرویی که صحبتش بود با سرعتی معادل 100 کیلومتر در ساعت به‌ سوی شما، آن هم در حال بوق زدن، حرکت کند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذا نه از آن جلو زده و نه عقب می‏مانند، لذا در کل مدت حرکت خودرو شما صدایی را نخواهید شنید. اما در لحظه‏ای که خودرو به شما می‏رسد، تمام امواج صوتی جمع شده و یکجا شما آنها را می‏شنوید. صدای بسیار بلند و با فرکانس بسیار بالا.

این صدا توسط هواپیمایی که قادرند با سرعتی معادل با سرعت صوت حرکت کنند می‏تواند موجبات وحشت بسیاری از افرادی که در زیر مسیر این هواپیما قرار دارند بوجود آورده قدرت این صدا به قدری است که می‏تواند شیشه‏ها را بشکند.

چنین اتفاقی برای قایقها نیز رخ می‏دهد. منتهی در این میان تجمع امواج آب که سرعتی در حدود سرعت این قایقها دارند. این موج متمرکز بصورت V شکل از جلو قایق به طرفین حرکت می‏کند که زاویه این موج توسط سرعت قایق کنترل می‏شود. در واقع تجمع امواجی که قایق در هر لحظه تولید می‏کند و هر لحظه بر آن می‏افزاید نیز توسط پدیده داپلر قابل توضیح است.

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

مفهوم رادار:

دیدیم که می‏توان با استفاده از مفهوم پژواک 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 که رادار صوتی چیست؟ این گونه رادار در زیردریایی‏ها و کشتی‏ها کاربرد دارد و همیشه در حال کار است. می‏توان از رادار صوتی در محیط آزاد نیز استفاده کرد، اما بخاطر چند اشکال ریز این گونه رادار در هوا استفاده نمی‏شود.

- صدا در هوا مسافت زیادی را نمی‏تواند بپیماید…. شاید در حدود 5/1 کیلومتر و یا کمی بیشتر

- هرکسی می‏تواند صدا را بشنود لذا استفاده از صدا در محیط آزاد موجب آزار دیگران می‏شود که البته می‏توان با بالا بردن فرکانس صدای مورد استفاده و استفاده از امواج «فراصوت» این مشکل را حل کرد.

- صدای منعکس شده حاصل از پدیده پژواک بسیار ضعیف می‏باشد به طوری که دریافت آن بسیار سخت است.

سمت چپ: آنتن های مجموعه مخابراتی فضایی گلدستون (بخشی از شبکه ارتباطی فضایی ناسا) که به ارتباطات مخابراتی رادیویی فضاپیماهای میان سیاره‏ای ناسا کمک می‏کند.

سمت راست: رادار جست وجوی سطح و هوا که بر روی نوک دکل یک موشک هدایت شونده قرار گرفته است.

حال بیایید در مورد یک نمونه واقعی راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار می‏رود صحبت کنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن کردن فرستنده قوی‏اش یک دسته موج رادیویی متراکم در آسمان و در جهات مختلف پخش می‏کند. این ارسال برای چند میکروثانیه صورت می‏پذیرد، حال فرستنده خاموش شده و گیرنده سیستم رادار مترصد دریافت پژواک امواج که به همراه اطلاعات حاصل از پدیده داپلر نیز هستند می‏ماند.

امواج رادیویی با سرعتی معادل سرعت نور حرکت می‏کنند، تقریباً در هر میکروثانیه 300 متر را در فضا طی می‏کنند؛ حال اگر سیستم رادار مذکور دارای یک ساعت بسیار دقیق و قوی باشد، می‏تواند با دقت بسیار بالایی موقعیت هواپیما را مشخص کند، با استفاده از روشهای خاص پردازش سیگنال برای تحلیل پدیده داپلر بر روی موجهای برگشتی می‏توان به دقت سرعت هواپیما را مشخص کرد.

آنتن رادار یک دسته کوچک اما قدرتمند پالس امواج رادیویی از یک فرکانس مشخص را در فضا می‏فرستند. هنگامی که امواج به یک جسم برخورد می‏کنند منعکس شده و در اثر پدیده داپلر فشرده‏تر یا گسسته‏تر می‏شوند. همان آنتن وظیفه دریافت امواج منعکس شده را که البته بسیار کمتر از امواج ارسالی هستند بر عهده دارد.

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

البته امروزه پلیسها در برخی کشورها از جمله کشور خودمان از تکنولوژی لیزر برای تعیین سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده می‏کنند. تکنولوژی به نام «لیدار» شناخته می‏شود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمرکز (یا همان لیزر) استفاده می‏شود.