رادار (Radar) — به زبان ساده

در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به معرفی رادار (Radar) و اصول کارکرد آن بپردازیم. عبارت RADAR از حرف اول کلمات عبارت "RAdio Detection And Ranging" برگرفته شده است و به معنی "تشخیص و ناوبری به وسیله امواج رادیویی" است. با ما در ادامه این مطلب همراه باشید.

رادار چیست؟

انسان‌ها به واسطه نور بازتاب شده از اجسام می‌توانند محیط اطراف خود را تشخیص و بر اساس آن راه خود را مشخص کنند. همان‌طور که می‌دانید نور بخش خیلی کوچکی از طیف الکترومغناطیسی است که همانند سایر امواج با پارامتر‌هایی نظیر فرکانس و طول موج، مشخصه‌یابی می‌شود.

فیلم آموزش مبانی سیستم های مخابراتی‎ در فرادرس

کلیک کنید

در مقاله «طیف مرئی -- به زبان ساده» دیدیم که فرکانس‌ نور یا بهتر است بگوییم ناحیه مرئی در محدوده $$400\ THz\ \sim\ 790\ THz$$ بوده و چشم انسان تنها قادر است این ناحیه محدود فرکانسی را از طیف وسیع الکترومغناطیسی تشخیص داده و پردازش کند.

همان‌طور که بیان کردیم، چشم انسان‌ها قادر است امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های ناحیه مرئی (نور) را تشخیص دهد. این امواج می‌توانند به طور مستقیم یا از طریق بازتاب به چشم ما برسند و توسط مغز پردازش شوند. حال فرض کنید که در مکانی قرار دارید که به واسطه نور نمی‌توانید محیط اطراف خود را تشخیص دهید (نظیر محیط تاریک، مه غلیظ و ...). به واسطه تجهیزاتی الکترونیکی که توانایی تولید و تشخیص امواج الکترومغناطیسی را در سایر فرکانس‌ها دارند، به راحتی می‌توان به تشخیص محیط و ناوبری پرداخت.

در مقاله «امواج رادیویی -- به زبان ساده» دیدیم که امواج رادیویی همانند نور (طیف مرئی) رفتار کرده و پدیده‌هایی نظیر جذب، بازتاب، عبور و قطبش برای این امواج نیز می‌توانند رخ دهند. به عبارت دیگر رخ دادن پدیده‌های مذکور برای مواد مختلف، تابعی از فرکانس است.

با توجه به مطلب فوق، با فرستادن یک موج الکترومغناطیسی و دریافت بازتاب آن از محیط، می‌توان به اطلاعات زیادی از جمله جنس مواد، فاصله از منبع، سرعت حرکت جسم و ... دست پیدا کرد. به بیانی ساده اساس کار رادار همین امر است. همان‌طور که در مقدمه متن بیان کردیم، رادار (RADAR) از حرف اول کلمات عبارت "RAdio Detection And Ranging" برگرفته شده است و به معنی "تشخیص و ناوبری به وسیله امواج رادیویی" است. رادارها غالباً از امواج رادیویی فرکانس بالا که به امواج میکروویو/مایکروویو یا ریز موج نیز موسوم هستند، جهت تشخیص و ناوبری استفاده می‌کنند. جهت آشنایی با امواج مایکروویو به مقاله «مایکروویو (Microwave) یا ریز موج -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

ناحیه‌‌های فرکانسی امواج رادیویی مطابق با شکل فوق، در جدول زیر آورده شده‌اند. امواج رادار غالباً دارای فرکانس بالا (ناحیه VHF به بالا) هستند.

در مقاله «لیدار -- به زبان ساده» با راداری آشنا شدیم که در فرکانس‌های ناحیه اپتیکی توانایی تشخیص و ناوبری داشت؛ از این حیث کلمه Radio با Light در عبارت "LIDAR" جایگزین شده است. لازم به ذکر است که مکانیزم فوق با استفاده از امواج مکانیکی فراصوت نیز امکان‌پذیر است که به سیستم‌های سونار (Sonar) معروف هستند. SONAR مخفف عبارت "SOund NAvigation Ranging" است.

امروزه شاید مهم‌ترین کاربرد رادار، در صنعت هواوفضا و امور نظامی باشد. پرواز و فرود هواپیما‌ها اغلب در شرایطی است که تشخیص محیط به واسطه نور غیر ممکن است. از این رو، خلبان‌ها بر اساس داده‌های رادار تصمیم‌گیری می‌کنند. به طور کلی، رادار سیستمی متشکل از آنتن‌ فرستنده و گیرنده است که در بازه فرکانسی خاصی کار می‌کنند. آنتن فرستنده امواج رادیویی فرکانس بالا (میکروویو) را به محیط اطراف می‌فرستند و آنتن گیرنده بازتاب این امواج را دریافت کرده و سیستم کامپیوتری داده‌های دریافتی را پردازش می‌کند.

رادار چگونه کار می‌کند؟

همان‌طور که در بخش قبل اشاره کردیم، سیستم‌های رادار از ۲ بخش اصلی آنتن فرستنده و گیرنده امواج رادیویی و بخش پردازش و نمایش تشکیل شده است. سیستم‌های رادار غالباً از امواج رادیویی فرکانس بالا که به امواج میکروویو نیز موسوم هستند، جهت تشخیص محیط و ناوبری استفاده می‌کنند. امواج مذکور توسط قطعه‌ای به نام مگنترون (Magnetron) تولید می‌شوند.

فیلم آموزش مخابرات ۱ – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

هرتز (Heinrich Rudolf Hertz) نشان داد که امواج رادیویی همانند نور رفتار می‌کنند و پدیده‌هایی نظیر بازتاب، جذب، عبور و قطبش که برای نور رخ می‌دهد، برای امواج رادیویی نیز صادق هستند. امروزه می‌دانیم که نور و امواج رادیویی هر دو ماهیتی یکسان دارند و از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود برهم تشکیل شده‌اند. همچنین برای هر یک ذره‌ای موسوم به فوتون وابسته تعریف می‌شود که انرژی فوتون مذکور رابطه مستقیمی با فرکانس امواج دارد. به عبارت دیگر ماهیت تمامی امواج الکترومغناطیسی از رادیویی گرفته تا امواج گاما یکسان بوده و تنها در فرکانس یا طول موج با یکدیگر متفاوت هستند. پاسخ محیط به این امواج یا به عبارت دیگر چگونگی رفتار موج در محیط‌ یا ماده‌های مختلف تابعی از فرکانس است.

امواج رادیویی که در سیستم‌های رادار استفاده می‌شوند غالباً در باند فرکانسی VHF بوده و به طور تقریبی طول موجی برابر با چند سانتی‌متر تا یک‌متر دارند. لازم به ذکر است که ساختار و فیزیک مگنترون‌های رادار جهت تولید امواج میکروویو، همانند نمونه‌های بکار رفته در اجاق‌های میکروویو است و تنها تفاوت آن‌ها در قدرت و اندازه است.

همچنین در برخی از سیستم‌های راداری خاص، منبع تولید امواج میکرویو، میزرها (Masers) هستند. میزرها توانایی تابش امواج میکروویو تقویت شده حاصل از گسیل القایی را دارند. جهت آشنایی بیشتر با میزرها به مقاله «میزر (Maser) -- به زبان ساده» مراجعه نمایید.

امواج میکروویو تولید شده به وسیله مگنترون، توسط موجبر‌هایی متناسب با فرکانس امواج تولیدی، به آنتن فرستنده ارسال یا به اصطلاح کوپل می‌شوند. آنتن‌های فرستنده سیستم‌های راداری غالباً سهمی شکل بوده تا بتوانند امواج را به صورت همگرا (متمرکز) منتشر کنند. اگر دقت کرده باشید، آنتن‌های رادار مدام در حال چرخش 360 درجه هستند. دلیل این امر این است که امواج میکروویو رادار کل فضا را جاروب کنند. به عبارت دیگر امواج به صورت کامل (360 درجه) در محیط منتشر شوند تا تمام فضای اطراف آنتن پوشش داده شود.

همان‌طور که میدانید امواج الکترومغناطیسی در خلأ (ضریب شکست یک) و هوا (ضریب شکست تقریبی یک) با سرعت نور ($$c = 3 \times 10^{8}\ (\frac{m}{s})$$) منتشر می‌شوند. بازتاب این امواج از سطوح مختلف (نظیر بدنه فلزی هواپیمای دشمن) نیز با سرعت نور به سمت آنتن گیرنده رادار فرود می‌آیند. در نتیجه جای نگرانی جهت شناسایی هواپیمای دشمن که با سرعتی حدود 3000 کیلومتر در ساعت به سمت ما می‌آید، نیست.

توجه داشته باشید که آنتن بکار رفته در سیستم‌های رادار، هم نقش فرستنده و هم نقش گیرنده را بازی می‌کنند. به عبارت دیگر آنتن رادار بین دو نقش فرستنده و گیرنده، متناوباً در بازه‌های خیلی کوتاه زمانی سوییچ می‌کند.

در واقع آنتن رادار، امواج میکروویو را برای چند هزارم ثانیه منتشر می‌کند. سپس قبل از انتشار دوباره، بازتاب امواج را دریافت و به سمت سیستم پردازش ارسال می‌کند. سیستم پردازش که خود سیستمی پیشرفته است دارای قسمت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری بوده که متناسب با هدف رادار، داده‌های پرت را فیلتر می‌کنند. شاید بتوان گفت پراهمیت‌ترین بخش از یک سیستم راداری، نیروی انسانی است که وظیفه خواندن صفحه نمایش رادار، تحلیل و تصمیم‌گیری را دارد. غالباً سیستم‌های راداری در بخش‌های حساسی نظیر صنایع نظامی، هواپیما‌‌ها و کشتی‌ها و ... استفاده می‌شوند که جان صد‌ها انسان به تشخیص صحیح اپراتور انسانی بستگی دارد.

لازم به ذکر است که آنتن رادار بین دو نقش فرستنده و گیرنده به واسطه دستگاه یا بخشی سخت‌افزاری موسوم به داپلکسر (Duplexer) سوییچ می‌کند. با توجه به شکل (7)، می‌توان نحوه کارکرد یک سیستم رادار را به ترتیب شماره‌گذاری‌هایی که در شکل انجام شده است، به صورت زیر خلاصه کرد:

1. مگنترون جهت تولید امواج رادیویی فرکانس بالا (میکروویو). امواج تولیدی توسط موجبر در سیستم منتقل می‌شوند.
2. دستگاه داپلکسر جهت تنظیم آنتن در مُد فرستندگی. امواج میکروویو مذکور توسط موجبر به آنتن کوپل می‌شوند.
3. آنتن در حالت فرستنده بوده و امواج متمرکز میکرویو را در محیط (هوا) منتشر می‌کند.
4. امواج ارسال شده به اشیاء (نظیر بدنه فلزی هواپیمای دشمن) برخورد کرده و توسط آن‌ها بازتاب می‌شود.
5. امواج بازتاب شده توسط آنتن رادار دریافت می‌شوند. آنتن رادار در بازه‌های زمانی مشخصی بین دو مُد فرستنده و گیرنده به وسیله دستگاه داپلکسر سوییچ می‌کند.
6. دستگاه داپلکسر جهت تنظیم آنتن در مُد گیرندگی. امواج میکروویو دریافت شده توسط آنتن (مُد گیرندگی) به موجبر‌ کوپل شده و به سمت بخش پردازش منتقل می‌شوند.
7. بخش سخت‌افزاری (الکترونیکی) پردازشگر که شامل فیلتر‌هایی جهت فیلتر نویز و داده‌های پرت است.
8. بخش نمایشگر اطلاعات و نرم‌افزاری پردازشگر.

کاربرد رادار

شاید بی‌اختیار با شنیدن واژه رادار، تصاویر و صحنه‌های نظامی به ذهنمان خطور کند. می‌توان گفت که صنایع نظامی، بیشترین استفاده را از سیستم‌های راداری دارند و پیشرفته‌ترین تجهیزات راداری در صنایع حساس نظامی بکار گرفته می‌شوند.

فیلم آموزش تجزیه و تحلیل سیگنال ها و سیستم ها‎ در فرادرس

کلیک کنید

جدا از کاربردهای نظامی، رادارها در قایق‌ و کشتی‌ها جهت بهبود ناوبری استفاده دارند. همچنین فرودگاه‌ها در برج مراقب از رادار‌هایی دقیق جهت کنترل ترافیک هوایی از استفاده می‌کنند.

همچنین سیستم‌هایی راداری موسوم به تفنگ رادار، توسط پلیس برای تشخیص سرعت اتومبیل‌‌ها استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که این سیستم بر اساس اثر دوپلر (Doppler Effect) کار می‌کند. تفنگ‌های راداری ممکن است که در فرکانس‌هایی بالاتر از میکروویو کار کنند که در این صورت بهتر است واژه لیدار را برای آن‌ها بکار ببریم.

رادار‌ها و لیدارها همچنین در پیشبینی شرایط جوی، جهت سنجش سرعت باد و بارندگی کاربرد دارند. همچنین در علوم زمین‌شناسی برای تشخیص معادل و منابع زمین از سیستم‌های راداری استفاده می‌کنند. همچنین زیر دریایی‌ها جهت حرکت و ناوبری در سطح آب از سیستم‌های راداری استفاده می‌کنند. کشتی‌ها و زیردریایی‌ها به هر دو سیستم رادار و سونار مجهز هستند.

اقدام متقابل: پنهان شدن از دید رادار

در بحث کاربرد‌های نظامی رادار، مقوله اقدام متقابل یا پنهان شدن از دید رادار بسیار پراهمیت بوده و دانشمندان نظامی مدام در حال تحقیق و توسعه در این خصوص هستند. به عبارت دیگر، دشمن نیز همانند شما یا شاید بهتر از شما به تکنولوژی رادار مجهز است و می‌تواند حرکات شما را رصد کند. بنابراین شما احتیاج دارید تا از دید دشمن مخفی بمانید.

مهم‌ترین اقداماتی که در این خصوص می‌توان انجام داد در طراحی و ساخت بدنه‌ هواپیما‌ها است. هرچند این اقدامات می‌توانند محدود باشند اما به طور مثال می‌توان با ایجاد لایه‌ای پوششی از مواد خاص که امواج الکترومغناطیسی را در طیف فرکانسی خاص (فرکانس امواج رادار) جذب کنند، از دید رادار دشمن مخفی شد. همچنین می‌توان بدنه هواپیما را طوری طراحی کرد که کمترین بازتاب را داشته باشد و باعث پراشیده شدن امواج شود.

یکی از معروف‌ترین طراحی‌ها در این خصوص، بمب‌افکن $$B2$$ نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا است. همان‌طور که در تصویر این هواپیما مشاهده می‌کنید طراحی خاص بدنه آن می‌تواند باعث پراشیده شدن امواج رادار شود. همچنین لایه‌ای پوششی از مواد خاص جهت جذب طیف رادیویی روی بدنه آن قرار دارد.

تاریخچه

در توسعه سیستم‌های راداری بسیاری از داشمندان نقشی اساسی داشتند. اما از بین آن‌ها اولین نفری که از فناوری رادار بهره برد، فیزیکدان اسکاتلندی به نام رابرت واتسون وات (Robert Watson-Watt) بود. در خلل جنگ جهانی اول، واتسون در دفتر هواشناسی ملی انگلیس کار می‌کرد. در آنجا از امواج رادیویی برای پیشبینی وضعیت آب‌وهوا استفاده می‌کردند.

در خلل جنگ جهانی دوم، واتسون به همراه همکارش آرنولد ویلکینز (Arnold Wilkins) متوجه شدند که از فناوری مذکور می‌توانند جهت شناسایی هواپیمای دشمن استفاده کنند. انگلیس با مجهز شدن به سیستم‌‌های راداری، برتری زیادی در برابر نیرو هوایی آلمان به دست آورد که خود در پیروزی آن‌ها نقشی اساسی داشت. در آمریکا نیز سیستمی مشابه در دسامبر سال 1941 توانست نزدیک شدن هواپیما‌های ژاپنی به پرل هابر هاوایی را تشخیص دهد.

معرفی دوره ویدئویی آموزش نرم‌افزار HFSS

امروزه بحث شبیه‌سازی و بررسی‌های اولیه نتایج حاصل از آن، به منظور امکان‌سنجی طرح، کاهش هزینه‌های مطالعاتی و همچنین صرفه‌جویی در مواد مصرفی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در زمینه مهندسی مخابرات میدان، یکی از پرکاربرد‌ترین نرم‌افزارها جهت شبیه‌سازی انواع ساختارهای فرکانس بالا از قبیل فیلترها، آنتن‌ها، کوپلرها و سایر محیط‌های انتشار موج، نرم‌افزار "High Frequency Structure Simulation" یا به طور خلاصه HFSS است. این نرم‌افزار محیطی ساده و به اصطلاح کاربر پسند داشته و ابزاری مناسب و البته حرفه‌ای جهت طراحی و شبیه‌سازی ادوات مخابرات میدان برای مهندسان، محققان و دانشجویان مقاطع تحصیلات تکمیلی است. لینک آموزش دوره مذکور در زیر آمده است.

• آموزش نرم افزار HFSS برای شبیه سازی میدان‌ها و امواج

دوره ویدئویی فوق به مدت ۴ ساعت و ۴۵ دقیقه و در ۵ فصل تدوین شده است؛ در درس اول از این مجموعه با مفاهیم اولیه الکترومغناطیس، نظیر اصول انتشار، انواع خطوط انتقال، انواع آنتن و فیلتر و ادوات میکروویو و همچنین نمودار معروف Schmitt آشنا می‌شوید. فصل دوم، به معرفی نرم‌افزار و ویژگی‌ها آن اختصاص دارد. همچنین در فصل سوم به طور کامل با محیط نرم‌افزار و ابزار‌های آن آشنا می‌شوید.

در فصل چهارم نیز با نحوه شبیه‌سازی و روش‌های آن در نرم‌افزار مذکور به طور کامل آشنا می‌شوید. آخرین و مهم‌ترین فصل این مجموعه نیز شامل مثال‌هایی کاربردی بوده که به شبیه‌سازی ساختار‌های مختلف می‌پردازد. ادوات مخابراتی که در این مجموعه شبیه‌سازی می‌شوند به قرار زیر هستند:

• خطوط انتقال هم‌محور
• خطوط انتقال میکرواستریپ (Microstrip)
• خطوط انتقال موجبری
• آنتن دو قطبی
• آنتن میکرواستریپ
• آنتن شیپوری
• فیلتر مایرواستریپ
• فیلتر موجبری
• کوپلر میکرواستریپ
• خم موجبری

لازم به ذکر است که فایل‌های شبیه‌سازی شده به همراه ویدئو‌هایی آموزشی ارائه می‌شوند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• موجبر (ٌWaveguide) چیست؟ -- به زبان ساده
• فرم دیفرانسیلی معادلات ماکسول -- به زبان ساده
• FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد

^^