چگونه رادار کار می کند؟
رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت اهداف مانند هواپیما استفاده می شود. با رادار می توان درون محیط هایی را که برای چشم، غیر قابل نفوذ است، مانند تاریکی، باران، مِه، برف، غبار و… مشاهده کرد. از دیگر مزیت های رادارها، توانایی آنها در تعیین فاصله یا حدود اهداف می باشد. رادارها در اهداف زمینی، هوایی، دریایی، فضایی و هواشناسی کاربرد دارند.
واژه رادار (RADAR) مخفف RAdio Detection And Ranging و به معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکروویو 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.
آنچه در مقاله چگونه رادار کار می کند؟ می خوانید:
پدیده پژواک در رادار
فرض کنید شما در لبه چاهی ایستاده اید. اگر شما در داخل چاه فریاد بزنید برگشت صدای خود را پس از چند لحظه خواهید شنید و دلیل این پدیده این است که برخی از امواج صوتی فریاد شما به سطحی (مثلاً بدنه چاه یا سطح آب در ته چاه) برخورد کرده و مجدداً به سوی شما منعکس شده و به گوش تان می رسد و شما مجدداً آنها را می شنوید. به این پدیده به اصطلاح پژواک و یا اکو می گویند.
فاصله زمانی بین لحظه ای که شما فریاد زده اید و لحظه ای که اکوی صدای خود را می شنوید، بستگی به فاصله بین شما و سطح منعکس کننده امواج دارد.
پدیده داپلر
پدیده رایج دیگر در رادارها با نام داپلر شناخته می شود.
فرض کنید اتومبیلی که با سرعت 60 مایل در ساعت (تقریباً 97 کیلومتر در ساعت) به سوی شما در حال حرکت است بوق خود را به صدا در می آورد. زمانی که اتومبیل در حال نزدیک شدن است صدای بوق آن هم، بطور یکنواخت با نزدیک شدن اتومبیل بلندتر می شود اما هنگاهی که اتومبیل از مقابل شما عبور کرد صدای بوق بطور ناگهانی کم می شود. در حالی که این صدای یک بوق است که آن بوق همیشه یک صوت را تولید می کند اما پدیده داپلر باعث می شود که شما صدا را این گونه بشنوید.
خب، چرا این اتفاق می افتد؟
سرعت صوت به شرط اینکه هوا ساکن باشد تقریباً در همه جا ثابت و حدود 600 مایل بر ساعت است. (سرعت دقیق آن به فشار، دما و رطوبت هوا بستگی دارد.) تصور کنید اتومبیل متوقف است و دقیقاً یک مایل با شما فاصله دارد و به مدت یک دقیقه بطور مداوم بوق می زند. امواج صوتی منتشر شده توسط بوق با سرعت 600 مایل بر ساعت به سمت شما حرکت می کنند و شما صدای بوق را با 6 ثانیه تاخیر خواهید شنید. (زیرا 6 ثانیه طول می کشد تا امواج با سرعت 600 مایل بر ساعت، مسافت یک مایلی بین بوق و شما را طی کنند.)
حالا اجازه دهید تصور کنیم که اتومبیل با سرعت 60 مایل بر ساعت به سمت شما حرکت می کند. مبدا حرکت اتومبیل مسافت یک مایلی شما است و به مدت یک دقیقه تمام هم بطور مداوم بوق می زند. شما باز هم صدا را با 6 ثانیه تاخیر خواهید شنید اما این بار به نظر شما اتومبیل فقط 54 ثانیه بوق می زند. این بدین خاطر است که اتومبیل پس از یک دقیقه، دقیقاً مقابل شما خواهد بود و صدا در این لحظه بلافاصله و بدون هیچ تاخیری به شما می رسد. اتومبیل (از دیدگاه راننده آن) یک دقیقه کامل بطور مداوم بوق زده است زیرا او نیز همراه با اتومبیل در حال حرکت بوده و صدا بدون تاخیر به گوش او رسیده است. اما در جایگاه شما امواج صوتی که در طول یک دقیقه تولید شده است در 54 ثانیه فشرده می شود. در واقع تعداد یکسانی از امواج صوتی در مقدار کمتری از زمان بسته بندی شده اند. بنابراین فرکانس آنها افزایش یافته و شما با صدایی بلندتر از صدای واقعی آن را خواهید شنید.
زمانی که اتومبیل از مقابل شما عبور کند همه این وقایع به صورت بر عکس تکرار می شوند و مقدار یکسان صوت در مدت زمان بیشتری انتشار می یابد. در نتیجه فرکانس کاهش می یابد و شما صدای آهسته تری از حد واقعی را خواهید شنید.
نحوه کار رادار
حال به کمک پدیده اکو و داپلر می توان فاصله و سرعت اجسام را نسبت به فرستنده صوت محاسبه کنیم. به عنوان مثال، در مثال های فوق می توان سرعت و فاصله خودرو را نسبت به خودمان، با توجه به زمان سپری شده از لحظه بوق زدن تا شنیده شدن صدای بوق، محاسبه کرد.
این فرآیند همان فرآیندی است که در رادارهای صوتی استفاده می شود. رادارهای صوتی را می توان در طبیعت نیز مشاهده کرد. به عنوان مثال خفاش، دارای حس بینایی ضعیفی است و به کمک رادار طبیعی که دارد، می تواند موانع اطراف 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. به کمک همین پژواک صداهای ابر صوتی است که نوع مانع و فاصله آن را تشخیص می دهد و طوری پرواز می کند که از تصادف با آنها در امان باشد.
اگر به اطلاعات بیشتری درباره بینایی و مسیریابی خفاش نیاز دارید، شما می توانید مطلب اختصاصی «چگونه خفاش می بیند؟» را مطالعه کنید.
اما رادارهای صوتی مشکلاتی دارند که عبارتند از:
- امواج صوتی، بُرد کمی دارند و حداکثر پس از یک مایل نابود می شوند.
- امواج صوتی را تقریباً همه می توانند بشنوند. بنابراین یک رادار صوتی می تواند برای افرادی که در اطراف آن هستند مزاحمت زیادی ایجاد کند. (البته می توان این مشکل را با استفاده از امواج فراصوتی به جای امواج قابل شنیدن تا حد زیادی بر طرف کرد.)
- امواج صوتی پس از اکو، ضعیف می شوند و این مشکل، کشف و دریافت آنها را مشکل می کند.
برای بهبود کار رادارها چه باید کرد؟
این سوالی بود که باعث استفاده از امواج رادیویی به جای امواج صوتی شد. اما چرا امواج رادیویی:
- امواج رادیویی بُرد زیادی دارند.
- توسط انسان ها قابل حس نیستند.
- کشف و دریافت آنها حتی زمانی که ضعیف هم شده اند به راحتی امکان پذیر است.
در ادامه طرز کار یک رادار رادیویی که وظیفه کشف و شناسایی هواپیماها را دارد توضیح می دهیم.
ابتدا مکانیزم ارسال در رادار فعال می شود و امواج رادیویی را با قدرت زیاد و فرکانس بالا به طرف هواپیما ارسال می کند. مدت ارسال این امواج در حد یک میکروثانیه است.
سپس مکانیزم ارسال در رادار غیر فعال شده و مکانیزم دریافت فعال می گردد و منتظر دریافت اکوی امواج ارسال شده می ماند. سیستم رادار مدت زمان بین ارسال امواج و دریافت اکوی آنها را به دقت اندازه گیری می کند. سرعت امواج رادیویی برابر با سرعت نور است. بنابراین اگر سیستم رادار از یک ساعت بسیار دقیق برخوردار باشد می تواند مسافت هواپیما با رادار را بسیار دقیق اندازه گیری کند و اگر مجهز به یک سیستم ویژه پردازشگر امواج نیز باشد می تواند امواج داپلر را به دقت بررسی کرده و سرعت هواپیما را بطور کاملاً دقیق مشخص کند.
کاربرد رادارها
بد نیست بدانید که کاربرد رادارها امروزه بسیار وسیع بوده و تنها چند نمونه از آنها عبارتند از:
- نظارت و رهگیری هواپیماها و موشک ها
- نظارت و رهگیری اهداف دریایی یا زمینی
- نظارت و رهگیری اجرام فضایی
- هواشناسی
- اندازه گیری سرعت وسائل نقلیه
- پیدا کردن مین در زمین
- فرودهای دقیق (برای نمونه در هواپیما)
- عکسبرداری از کره های دیگر با رادار تصویری
- جلوگیری از تصادف
- پیدا کردن آب در مناطق شن زار و خشک
- نظارت بر اهداف جنبنده در زمین
- نظارت بر اهداف جنبنده در مناطق پُر درخت
منابع
مقاله علمی و آموزشی «چگونه رادار کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. همچنین تصاویر فلش نیز توسط مهندس سینا انصاری طراحی گردیده است.
