فاصله سنج(رادار و مادون قرمز)

رادار( RADAR) :

رادار، یک دستگاه رادیویی است که برای مشاهده، تشخیص و یا آشکارسازی اجسام‌ و نیز اندازه‌گیری برخی ویژگی‌های آن‌ها به کمک موج‌های رادیویی بکار می‌رود. کاربرد اولیه رادار و محل پیدایش و رشد آن در صنایع نظامی و هوانوردی بوده است. در صنایع نظامی نقش اصلی یک سامانه راداری، نظارت بر یک گستره بزرگ و تشخیص جسم‌ های متحرک، ردیابی هدف‌ها و استخراج مشخصه‌هایی مانند فاصله، جهت، سرعت، ارتفاع و اندازه هدف است. رادارهای نظامی برای کاربردهای نظارت، ردیابی هدف، هدایت و ناوبری، و دیدن از پشت موانع ساخته می‌شوند. کاربردهای غیرنظامی رادار در سیستم‌های تصویر برداری ماهواره‌ای، هدایت کشتی و هواپیما، هواشناسی، کنترل ترافیک و اتومبیل‌های هوشمند است.

تشخیص و ردیابی رادیو  چند دهه است که وجود دارد و بیشتر برای یافتن و ردیابی اشیاء هوایی و دریایی مورد استفاده قرار میگیرد.

 

تاریخچه رادار :

پیدایش و توسعه ی رادار تقریباً همزمان و به طور مستقل در کشورهای آمریکا، انگلستان، آلمان و فرانسه با نامهای متفاوتی چون دستگاه کشف رادیویی (Detection Radio) یا دستگاه جهت­ یاب رادیویی (Radio Location) در طول دهه ی۱۹۳۰ پدید آمد. در سال ۱۹۴۲ نیروی دریایی آمریکا لفظ رادار (Radar) را به عنوان نام این دستگاه به کار برد که پس از آن، این لفظ به طور جهانی مورد استفاده قرار گرفت.

این موضع که رادار به طور همزمان اما در پی فعالیت های تحقیقاتی و علمی مستقلی در کشورهای مختلف پدید آمده و شناخته شده است جای چندان تعجبی ندارد، زیرا که اصل اولیه در اساس کار رادار یعنی بازتاب امواج رادیویی از سالها قبل از پیدایش رادار شناخته شده و در مجامع علمی مطرح بوده است. این که امواج رادیویی تولید پژواک یا بازتاب (Echo) می­کنند، قبل از سال ۱۹۲۰ شناخته شده بود.

در حقیقت از این پدیده در اثبات وجود یونسفر (Ionosphere) و دستیابی به ارتفاع لایه های مختلف آن، با اندازه گیری زمان لازم برای رسیدن بازتاب امواج رادیویی از لایه­های یونسفر به زمین استفاده شده بود و این امر در ارتباطات رادیویی راه دور بسیار مهم بود. شناخت اصل بازتاب امواج به کارهای تحقیقاتی فیزیکدان آلمانی «هرتز» (Hertz) در زمینه امواج الکترومغناطیسی برمی­گردد. هرتز در دهه­ی ۱۸۸۰ توانست امواج رادیویی را در لابراتوار خود ایجاد کرده نشان دهد که این امواج در اثر برخورد با اجسام فلزی منعکس می شوند، همان طوری که نور به وسیله آینه منعکس می­شود.

۱- اکو (Echo): به معنی بازتاب یا پژواک بوده، به بخشی از امواج صوتی و یا الکترومغناطیسی اطلاق می شود که پس از برخورد با یک مانع منعکس می شود که پس از برخورد با یک مانع منعکس می شود و دوباره به منبع منتشر کننده امواج می رسد.

۲- یونسفر (Ionosphere): به لایه ای از گازهای یونیزه شده نزدیک قسمت فوقانی اتمسفر گویند که امواج رادیویی فرکانس (High Frequency) را منعکس می کند. این عمل ارتباطات رادیویی راه دور را امکان پذیر می کند.

واژه رادار (RADAR) که اولین بار در سال ۱۹۴۱ به وسیله نیروی دریایی آمریکا مورد استفاده قرار گرفت، از اولین حروف (ACRONYM) کلمات (Radio Detection and Ranging) به معنی آشکار سازی و تعیین فاصله رادیویی تشکیل یافته است. استفاده موثر از رادار در آشکارسازی (کشف)، تعیین موقعیت و مسافت براساس اندازه­گیری زمان انرژی منتشر شده از رادار و انعکاس (بازتاب) آن پس از برخورد به هدف است.

 

 

 

نحوه عملکرد رادار :

رادار، ابتدا موج‌های خود را می‌گسلید و در صورتی‌ که مانعی مانند یک شیء پرنده در آسمان، مقابل موج‌های گسیلیده قرار داشته باشد، موج‌های ضعیف‌تری را بازمی‌تاباند. اگر رادار، مقداری از این موج‌ها را دریافت کند، می‌تواند با ضرب سرعت موج در مدت زمان دریافت موج، فاصله شی را محاسبه کند. یعنی فرستنده یک سیگنال خاص را منتشر میکند و آنتن گیرنده سیگنال برگشتی یا همان اکو را تشخیص میدهد.علاوه بر این، با مقایسه تغییر فرکانس بین سیگنال خروجی و دریافت شده، می توانید سرعت و جهت شیء را با توجه به اثر داپلر برآورد کنید.اگر با اثر داپلر آشنایی ندارید یک ماشین در حال حرکت را تصور کنید. در حالی که ماشین در حال نزدیک شدن است، امواج صوتی فشرده می شوند، بنابراین طول موج آنها کاهش می یابد و فرکانس افزایش می یابد. وقتی خودرو دور میشود، عکس این قضیه اتفاق می افتد.

 

کاربرد رادار :

به عقیده بسیاری از کارشناسان همین رادار بود که آلمان را علی رغم حمله‌های گسترده هوایی بر روی شهرهایی نظیر لندن ، ناکام گذاشت. همچنین بسیاری از زیر دریاییهایی که تعداد زیادی از کشتیهای حمل و نقل و ناوهای جنگی متفقین را به قعر دریا می‌فرستادند، با کمک رادارها شناسایی شدند و در عملیات گوناگون خود دچار شکست گردیدند.

رادارها حتی در توپخانه‌ها ، موشک اندازها و جنگهای زیر دریاییها نیز وارد عمل شدند و توجه قدرتهای بزرگ تسلیحاتی را ، حتی پس از شکست هیتلر و پایان جنگ جهانی به خودشان جلب کردند. اما صرف نظر از کاربردها نظامی، رادار خدمات صلح آمیز بسیاری را برای انسان امروزی در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت های دریایی و هوایی همگی مدیون رادار هستند.

در حقیقت یکی از مهمترین کاربردهای علمی رادار با آغاز عصر فضا ه وجود آمد و بشر توانست برای اولین بار با کمک رادار به فضا دسترسی پیدا کند و حتی سطح سیاره ها و اشکال گوناگون آنها را شناسایی کند. این موفقیت سالها قبل از آنبود که سفینه ها بتوانند از سطح سیارات عکسبرداری کنند. بنابراین رادار علی رغم خرابی هاییکه با گسترده تر کردن جنگلها به وجود آورد، توانست خدمات بسیار ارزنده ای را برای جامعه بشری به ارمغان آورد .

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.

به طور خلاصه رادار در موارد زیر کاربرد دارد :

  • نظارت و رهگیری هواپیماها و موشک‌ها
  • نظارت و رهگیری هدف‌های دریایی یا زمینی
  • نظارت و رهگیری جسم‌های فضایی
  • هواشناسی
  • اندازه‌گیری سرعت ترابرها
  • رادار دهانه-ترکیبی برای تصویر دو-بعدی و سه-بعدی
  • یافتن مین در زمین
  • فرود (برای نمونه برای هواپیما) دقیق
  • عکس‌برداری از دیگر کره‌ها با رادار تصویری
  • پرهیز از تصادف
  • یافتن آب در منطقه‌های شنزار و خشک
  • نظارت بر هدف‌های جنبنده در زمین
  • نظارت بر هدف‌های جنبنده در منطقه‌های پُردرخت
  • نقشه‌برداری

 

انواع رادار : دسته‌بندی انواع رادارها را می‌توان بر اساس به سخت‌افزار، نرم‌افزار، تکنیک‌های پردازش سیگنال، نوع کارکرد، فرکانس کاری و… انجام داد.

1- رادارهای مونواستاتیک Monostatic

رادارهایی که فرستنده و گیرنده‌ی آنها در یک نقطه واقع است را مونواستاتیک می‌نامیم. در واقع فاصله‌ی بین گیرنده و فرستنده در ای رادارها بسیار کوچکتر از فاصله نقطه‌ی استقرار رادار نسبت به هدف است لذا فرستنده و گیرنده یک فضای یکسان را پوشش می‌دهند. در اغلب موارد فرستنده و گیرنده‌ی رادار مونواستاتیک در یک سامانه تعبیه شده و از یک آنتن استفاده می‌کنند. جداسازی دو مود کاری گیرندگی و فرستندگی در این رادارهایی که از یک آنتن گیرنده فرستنده استفاده می کنند توسط واحدی به نام سلول گیرنده/فرستنده یا T/R cellیا داپلکسر Duplexer صورت می‌گیرد. این سلول وظیفه دارد در حالت فرستندگی ورودی گیرنده را بلوکه کند. در این رادارها به کمک اندازه‌گیری زمان رفت و برگشت سیگنال و ضرب آن در سرعت حرکت موج (سرعت نور) فاصله هدف استخراج می‌شود. همچنین سرعت هدف را می‌توان به کمک خاصیت شیفت داپلر فرکانس اکو هدف محرک تشخیص داد.

2- رادارهای بای‌استاتیک Bistatic

در این نوع رادارها آنتن گیرنده و فرستنده در فاصله‌ای بسیار دور از یکدیگر قرار دارند. این امر سبب جلوگیری از تداخل مد فرستندگی/گیرندگی می‌شود و علاوه بر این سبب کاهش آسیب‌پذیری سامانه در برابر حملات هوایی می‌شود چرا که می‌توان چندین آنتن گیرنده‌ی پسیو را با یک فرستنده بکار گرفت. از این نوع رادار جهت رهگیری هواگردهایی که با فرم‌دهی خاص بدنه از دید رادار پنهان می‌شوند کاربرد دارد. در این نوع رادارها سیگنال پس از طی فاصله‌ی RT به هدف رسیده و بازتاب آن با طی فاصله‌ی RR به گیرنده می‌رسد.

 

 

 

3- رادارهای پالسی Pulsed

رادار پالسی راداری است که ابتدا یک پالس ارسال می‌کند و سپس منتظر رسیدن اکو اهداف می‌ماند. این امر مانع از تداخل بین گیرندگی و فرستندگی می‌شود و امکان استفاده از یک آنتن واحد به عنوان گیرنده و فرستنده را فراهم می‌آورد. با اندازه‌گیری زمان بین ارسال و دریافت می‌توان برد هدف را بدست آورد (در رادارهای مونواستاتیک)

 

4-رادارهای موج پیوسته Continuous-wave CW

این نوع رادار دائما به ارسال و دریافت امواج مبادرت می ورزند. سرعت هدف در این نوع رادارها از طریق سنجش شیفت داپلر استخراج می‌شود. در صورت اعمال تغییر در فرکانس موج ارسالی (مدولاسیون اف‌ام) رادار را رادار موج پیوسته مدوله فرکانسی یا FMCW می‌نامیم این نوع رادار موج پیوسته با توجه به اعمال تغییر در فرکانس موج ارسالی می‌تواند با توجه به فرکانس اکو دریافتی برد هدف را نیز محاسبه کند. تداخل بین گیرنده و فرستنده در این نوع رادارها توان مورد استفاده‌ی آنها را محدود می کند و ایزولاسیون بین گیرنده و فرستنده مساله‌ای حیاتی است. یک مثال ساده از این نوع رادارهای رادارهای سنجش سرعت مورد استفاده توسط پلیس است.

5- رادار کوهرنت Coherent

رادار کوهرنت راداری است که از یک منبع مولد موج جهت ارسال سیگنال و پردازش سیگنال دریافتی استفاده می‌کند. در این نوع رادارها می‌توان سیگنال دریافتی را با سیگنال ارسالی مقایسه کرد فلذا در رادارهای کوهرنت امکاناتی چون سنجش شیفت داپلر، بکارگیری تکنیک MTI جهت تفکیک هدف از کلاتر و برخی تکنیک‌های دیگر فراهم خواهد بود این در حالی است که در رادارهای غیرکوهرنت این امکان فراهم نیست.

 

6- رادارهای فراافق نگر OTH Over-the-horizon

در این نوع رادارها از خاصیت بازتاب یونوسفریک امواج الکترومغناطیسی جهت دستیابی به دید فرا افق استفاده می‌شود. این نوع رادارها معمولا در باند اچ‌اف (3 الی 30 مگاهرتز) بکار گرفته می‌شوند چرا که در اموج با این فرکانس دارای خاصیت بازتاب یونوسفریک هستند و پس از برخورد با لایه یونوسفر به سمت زمین برمی‌گردند. این رادارها دارای آنتن‌هایی بزرگ، توان راه‌اندازی بالا و زمان پردازشی طولانی هستند. هرچند دقت زاویه و برد در این رادارها پایین است اما به می‌توانند به عنوان یک رادار پیش‌اخطار مناسب بکار گرفته شوند.

7- رادار مراقبت ثانویه SSR Secondary surveillance radar

این نوع رادار دارای آنتنی چرخان است که دائما به ارسال پالسهایی با قدرت کافی جهت رسیدن به هواگردها می‌پردازد. هواگردهای مجهز به فرستنده مناسب پس از دریافت سیگنال رادار SSR اقدام به ارسال سیگنال پاسخ مناسب در باند فرکانسی مجزا به رادار می‌نمایند. این سیگنال حاوی اطلاعاتی کد شده از قبیل مقصد و برخی اطلاعات پروازی است. به کمک این تکنیک برد رادار تا اندازه‌ی زیادی افزایش می‌یابد چرا که سیگنال درخواست اطلاعات رادار و سیگنال پاسخ هواپیما تنها یک مسیر رفت را طی می کنند و در مقایسه با سایر روش‌ها تلفات و تضعیف کمتری را متحمل می شوند. گونه‌ی نظامی این ساختار به IFF یا سامانه تشخیص دوست از دشمن مشهور است.

8- رادارهای SAR

برای تهیه‌ی یک نقشه دقیق از زمین و عوارض موجود در آن لازم است از یک آنتن طویل استفاده کنیم اما امکان ساخت و بکارگیری راداری با آنتن بزرگ جهت دستیابی به رزولوشن بالا از عوارض زمینی امکان‌پذیر نیست. برای رفع این مشکل از تکنیک ردار دریچه مصنوعی یا SAR استفاده می‌شود. در این تکنیک هواگرد در حال حرکت اقدام به ارسال دریافت امواج کرده و بدین ترتیب یک آنتن طویل شبیه سازی می‌شود.

9- رادارهای آرایه فازی

به طور خلاصه در رادارهای آرایه فازی تعدادی آنتن، سیگنال‌های با فاز متفاوت از یکدیگر تولید می‌کنند که این امر سبب تقویت سیگنال در جهت دلخواه و تضعیف آن در جهت‌های نامناسب می‌شود. لذا به کمک این رادارها می‌توان بدون نیاز به حرکت دادن مکانیکی جهت لوب اصلی آنتن را تغییر داد .

10- رادار منوپالس Monopulse

نام گذاری این نوع رادارها از آنجایی است که این رادار به کمک چند المان دریافت کننده (به طور معمول چهار المان) و تاباندن تنها یک پالس اطلاعات مورد نیاز از هدف را استخراج می‌کنند. از طریق مقایسه فاز و دامنه امواج ورودی به هر المان و انجام برخی محاسبات اطلاعات مورد هدف نیاز استخراج خواهد شد.

 

 

 

 

 

 

 

مادون قرمز :

“Infrared” یا اشعه مادون قرمز ( اشعه فروسرخ ) یک تابش الکترومغناطیسی با طول موج بیشتر از امواج مرئی و کوتاهتر از امواج رادیویی است. امواج فروسرخ در بازه بسامدی ۳۰۰ گیگاهرتز تا ۴۲۸ تراهرتز و طول موج ۱ میلی‌متر تا ۷۰۰ نانومتر قرار می‌گیرند.

امواج فروسرخ نوعی از امواج الکترومغناطیسی هستند که بعد از برخورد با جسم موجب گرم شدن آن می‌شود. این امواج دسته‌ای از پرتوهای نامرئی خورشید هستند. به همین سبب وقتی در مقابل نور خورشید قرار می‌گیریم احساس گرما می‌کنیم. این امواج دارای طول موج بیشتر از امواج مرئی و بسامد (فرکانس) کمتر از آن‌ها هستند. به همین دلیل در نمودار طیف الکترومغناطیس بعد از امواج مرئی قرار دارد. این امواج در نمودار بعد از رنگ سرخ در امواج مرئی، که کم‌ترین شکست را نسبت به دیگر رنگ‌ها دارد قرار می‌گیرد. به همین سبب به آن‌ها امواج فروسرخ می‌گویند.

تاریخچه مادون قرمز :

كشف هرسل اولین گام در ایجاد پدیده‌ای كه ما آن را طیف الكترومغناطیسی می نامیم. نور مرئی و پرتوهای مادون قرمز دو نمونه اشكال فراوانی از انرژی هستند كه توسط تمام اجسام موجود در زمین و اجرام آسمانی تابانده میشوند.تنها با مطالعه این تشعشعات است كه می توانیم اجرام آسمانی را تشخیص و تمیز دهیم و تصویری كامل از چگونگی ایجاد جهان و تغییرات آن بدست آوریم. در سال 1800 سر ویلیام هرشل یك نمونه نامرئی از تشعشعات را كشف كرد كه این نمونه دقیقا زیر بخش قرمز طیف مرئی قرار داشت. او این شكل از تشعشعات را مادون قرمز نامید.

 

سنسورهای همراه با اشعه مادون قرمز

حسگر مادون قرمز یک وسیله الکترونیکی است که برای حس کردن ویژگی های خاص محیط اطراف آن استفاده می شود. این کار را با انتشار یا تشخیص اشعه مادون قرمز انجام می دهد. سنسورهای مادون قرمز نیز قادر به اندازه گیری گرمای ناشی از یک شی و تشخیص حرکت هستند. سنسور های مادون قرمز محبوب و ارزان قیمت هستند و به طور گسترده ای در پروژه های رباتیکی ایندور indoor مورد استفاده قرار میگیرند.اساس کار آن ها ساده است:نور مادون قرمز که توسط یک ال ای دی منتشر میشود، به یک شیء برخورد کرده و به گیرنده بازمیگردد.گیرنده شدت نور مادون قرمز را اندازه گیری میکند که به وسیله آن میزان فاصله نزدیک ترین شیء تخمین زده میشود. سنسور های مادون قرمز دقیق نیستند و بهتر است برای پیاده سازی طرح هایی با هدف تنها تشخیص و دوری از مانع استفاده شوند.

مزیت ها: ارزان, سبک, کوچک

معایب: دقت کم, به وسیله هر لامپ مادون قرمز تحت تاثیر قرار میگیرد (بهتر است در پروژه های ایندور مورد استفاده قرار گیرد)

 

انواع سنسورهای مادون قرمز

حسگرهای مادون قرمز می توانند فعال یا غیرفعال باشند و می توانند به دو نوع اصلی تقسیم شوند:

  • سنسورهای مادون قرمز حرارتی :

از انرژی مادون قرمز به عنوان گرما استفاده کنید. حساسیت عکس آنها مستقل از طول موج شناسایی شده است. آشکارسازهای حرارتی نیازی به خنک کردن ندارند، اما زمان پاسخ آهسته و قابلیت تشخیص کم است.

  • سنسورهای مادون قرمز کوانتومی :

عملکرد تشخیص بالاتر و سرعت پاسخ سریع را فراهم می کند. حساسیت عکس آنها بستگی به طول موج دارد. برای دستیابی به اندازه گیری دقیق، آشکارسازهای کوانتومی باید خنک شوند.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.