پایان نامه رادارهای سونار و بررسی اصول تداخل سنجي رادارهای InSAR
مقدمه
گاه امكان بررسي اجسام از نزديك وجود ندارد. براي مثال جهت بررسي سطح اقيانوس ها نقشه برداري از عراضي جغرافيايي لزوم ساخت وسايلي كه بتوانند از راه دور اين كاررا انجام دهند به چشم مي خورد . با دستيابي به تكنولوژي سنجش از راه دور بسياري از اين مشكلات برطرف گشت. در واقع در اين روش امكان بررسي اجسام وسطوحي كه نياز به بررسي از راه دور دارند را فراهم ميآورد. سنجش از راه دور رامي توان به دوبخش فعال وغيرفعال تقسيم كرد.گستره طول موج امواج مايكرويو نسبت به طيف مادون قرمز ومرئي سبب گرديده تا ازسنجش از راه دور به وسيله امواج از اين طيف استفاده گردد.
عملكردسيستم هاي سنجش غيرفعال همانند سيستم هاي سنجش دما عمل مي كنند.در اينگونه سيستم ها با اندازه گيري انرژي الكترومغناطيسي كه هرجسم به طور طبيعي از خودساطع ميكند نتايج لازم كسب ميگردد. هواشناسي واقيانوس نگاري ازكاربردهاي اين نوع سنجش مي باشد.درسيستم هاي سنجش فعال از طيف موج مايكرويوبراي روشن كردن هدف استفاده ميشود. اين سنسورها را ميتوان به دو بخش تقسيم كرد:
- سنسورهاي تصويري
- غيرتصويري (فاقد قابليت تصويربرداري).
از سنسور هاي غير تصويري ميتوان به ارتفاع سنج واسكترومتر ها(پراكنش سنج ) اشاره كرد.كاربرد ارتفاع سنج ها در عكس برداري جغرافيايي وتعيين ارتفاع ازسطح دريا مي باشد.اسكترومتر كه اغلب بر روي زمين نصب ميگردند ميزان پراكنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گيري ميكنند . اين وسيله در مواردي همچون اندازه گيري سرعت باد در سطح دريا و كاليبراسيون تصوير رادار كابرد دارد .
معمولترين سنسورفعال تصويربرداري رادار ميباشد.رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معناي آشكارسازي بكمك امواج مايكرويواست.بطوركلي ميتوان عملكردراداررادرچگونگي عملكرد سنسورهاي آن خلاصه كرد.سنسورها سيگنال هاي مايكرويو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال كرده وسپس سيگنالهاي بازتابيده شده ازسطوح مختلف را شناسايي ميكند. قدرت (ميزان انرژي) سيگنالهاي پراكنده شده جهت تفكيك اهداف مورد استفاده قرارميگيرد. با اندازه گيري فاصه زماني بين ارسال ودريافت سيگنال ها مي توان فاصله تا اهداف را مشخص كرد. از مزاياي شاخص رادار مي توان به عملكرد رادار در شب يا روز وهمچنين قابليت تصويربرداري درشرايط آب و هوايي مختلف اشاره كرد.
1-2- تاريخچه
اولين تجربه درمورد بازتابش امواج راديويي توسط هرتز آلماني در سال ۱۸۸۶ بدست آمد. پس از گذشت مدت زمان كمي اولين رادار كه از آن براي آشكارسازي كشتي ها استفاده ميشد مورد بهره برداري قرار گرفت. در سالهاي ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ پيشرفت هايي در جهت ساخت رادار با قابليت تعيين فاصله اهداف صورت گرفت. اولين رادارهاي تصويري درطي جنگ جهاني دوم براي آشكارسازي وموقعيت يابي كشتي ها و هواپيماها استفاده شد. بعدازجنگ جهاني دوم راداربا ديد جانبي (SLAR) جهت جستجوي اهداف نظامي و كشف مناطق نظامي ساخته شد. اينگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسير پرواز قادر به تفكيك دقيقتر اهداف موردنظربودند.درسال۱۹۵۰ باتوسعه سيستم هاي SLAR تكنولوژي رادار دهانه تركيبي گامي درجهت ايجاد تصاوير با كيفيت بالا برداشته شد.درسال۱۹۶۰استفاده از رادارهاي هوايي وفضايي توسعه يافت وعلاوه بركاربرد نظامي جهت نقشه برداري هاي جغرافيايي و اكتشافات علمي و…نيز مورد استفاده قرار گرفتند.
1-3- مفهوم رادار
امواج رادارچیزیست که در همه اطراف ما وجود دارد، اگرچه دیده نمیشود.مرکز کنترل ترافیک فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها چه آنها که روی باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها که در حال پرواز هستند و هدایت آنها از رادار استفاده می کنند. در برخی از کشورها پلیس از رادار برای شناسایی خودروهای با سرعت غیر مجاز استفاده می کند.
ناسا از رادار برای شناسایی موقعیت کره زمین و دیگر سیارات استفاده میکند، همینطور برای دنبال کردن مسیر ماهواره ها و فضاپیماها و برای کمک به کشتیها در دریا و مانورهای رزمی از آن استفاده می شود. مراکز نظامی نیز برای شناسایی دشمن و یا هدایت جنگ افزارهایشان از آن استفاده می کنند. هواشناسان برای شناسایی طوفانها، تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده می برند. شما حتی نوعی خاص از رادار را در مدخل ورودی فروشگاهها میبینیدکه در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز میکنند. به طور واضح میبینیدکه رادار وسیله ای بسیار کاربردی میباشد. در این بخش از مقالات ما به اسرار رادار می پردازیم.
1-4- پژواک و پدیده داپلر
پژواک پدیده ای است که شما هر روزه با آن برخورد دارید، اگر شما بداخل یک چاه ویا در یک دره فریاد بزنید، پژواک صدای شماچند 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 هیچ گاه پژواکی ندارد) پس از برخورد به یک سطح (که این سطح می تواند سطح آب، انتهای چاه یا دیواره کوه موجود در انتهای دره باشد) به سمت شما باز میگردد و گوش شما دوباره آنرا میشنود. فاصله زمانی ای که بین فریاد شما تا شنیدن پژواک آن طول میکشد با فاصله مکانی بین شما و آن سطح بازگرداننده پژواک ارتباط دارد. هنگامیکه شما به داخل یک چاه فریاد میکشید،صدای شماازدهانه چاه به سمت انتهای چاه رفته وپس ازبرخوردباسطح آب انتهای چاه منعکس می شود.
در اینحالت اگر شما سرعت صدا را بطور دقیق بدانید، با اندازه گیری زمان رفت وبرگشت صدا میتوانید عمق چاه را حساب کنید. پدیده 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 شده پدیده داپلر در شکستن «دیوار صوتی» رخ میدهد. در اینجا به درک این پدیده می پردازیم (ممکن است شما برای اینکه بهتر این پدیده را درک کنیدکنار یک اتوبان آن را تجربه کنید) فرض کنید که خودرویی با سرعت ۱۰۰ 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 می شنوید اما هنگامیکه 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 صورتیکه شما میدانید که صدای بوق همیشه ثابت است، کما اینکه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعی بوق را می شنود. این تغییرات صوت شنیده شده توسط شما به وسیله پدیده داپلر قابل توضیح است. اما آنچه که رخ میدهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای ساده تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را ۱۰۰۰کیلومتر در ساعت در نظر بگیرید. (سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.)
فرض کنیدکه خودرویی در فاصله یک کیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیرمتحرک).راننده داخل خودرو به مدت یک دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با ۱۰۰۰کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت می کند، بعد از ۶ ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این ۶ ثانیه در واقع مدت زمانی است که طول می کشد صدا به شما برسد) و به مدت یک دقیقه پس از آن چه میشنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.در پدیده داپلر، شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فرکانس) پایینتر و بمتر از آنچه که راننده داخل خودرو و در حال حرکت می شنود. راننده از شخصی که خودرو به سمت آن در حال حرکت است صدا را با نت پایینتر می شنود.
حال فرض کنیدخودرو از فاصله های دور با سرعتی معادل ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت کند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و بمدت همان یک دقیقه شستی بوق را فشارمیدهد میشود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت ۵۴ ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حرکت خودرو رخ داده است. در واقع تعداد موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان کوتاه تری به سمت شما آمده و از آنجایی که تعریف فرکانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است بنابراین اگر قبلاً این نوسانات را ۱ بر ۶۰ ثانیه تقسیم کردیم و فرکانس F۱ بدست میامد، حال باید این تعداد نوسانات را بر ۵۴ 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 ۶۴ ثانیه صدای بوق را میشنوید که فرکانس حاصله در این حالت کمتر (یا صدای بمتر) خواهد بود.
1-5- شکستن دیوار صوتی
اینک که مادرحال بحث روی رابط صدا وسرعت هستیم میتوانیم در مورد شکستن دیوار صوتی هم صحبت کنیم. فرض کنید آن خودرویی که صحبتش بود با سرعتی معادل ۱۰۰ کیلومتر در ساعت به سوی شما، آن هم در حال بوق زدن، حرکت کند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، نبابراین نه از آن جلو زده و نه عقب میمانند، بنابراین درکل مدت حرکت خودرو شما صدایی را نخواهید شنید.اما در لحظه هایی که خودرو بشما میرسد،تمام امواج صوتی جمع شده و یک جا 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 به وجود آورده قدرت این صدا به قدری است که می تواند شیشه ها را بشکند. چنین اتفاقی برای قایقها نیز رخ می دهد. منتهی در این میان تجمع امواج آب که سرعتی در حدود سرعت این قایقها دارند. این موج متمرکز به صورت 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 می توانید با استفاده از ترکیبی از پژواک و پدیده داپلر بصورتی که در زیر میآید استفاده کنید. در محلی که ایستاده اید به سمت خودرویی که درحال حرکت (به سمت شما یا درخلاف جهت) اصواتی را به فرستید. بعضی از این اصوات پس از برخورد با خودرو به سمت شما باز میگردند. (پژواک) از آنجاییکه خودرو در حال حرکت است لذا اصوات منعکس شده یا به هم فشرده می شوند (در حالی که خودرو به سمت شما میآید) و یا از هم باز می شوند. در حالت حرکت مخالف در هر دو صورت شما میتوانید با مقایسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدست آورید.
1-6- مفهوم رادار
دیدیم که می توان 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 می توان فهمید که رادار صوتی چیست؟ این گونه رادار در زیردریایی ها و کشتیها کاربرد دارد و همیشه درحال کار است. می توان از رادار صوتی در محیط آزاد نیز استفاده کرد، اما بخاطر چند اشکال ریز این گونه رادار در هوا استفاده نمی شود.
- صدا در هوا مسافت زیادی را نمی تواند بپیمایدشاید در حدود ۵/۱ 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 می باشد به طوری که دریافت آن بسیار سخت است.
حال بیایید در مورد یک نمونه واقعی راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار می رود صحبت کنیم. سیستم رادار درابتدا با روشن کردن فرستنده قویاش یک دسته موج رادیویی متراکم در آسمان و در جهات مختلف پخش میکند. این ارسال برای چند میکروثانیه صورت می پذیرد، 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 ۳۰۰ 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 اماقدرتمندپالس امواج رادیویی ازیک فرکانس مشخص رادر فضا می فرستند. هنگامیکه امواج به یک جسم برخورد میکنندمنعکس شده ودر اثر پدیده داپلر فشرده تر یا گسسته تر 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 پیچیده تر از رادارهای هوایی است، هنگامی که یک رادار پلیس به ارسال پالس موج رادیویی می پردازد بخاطر وجود اجسام بسیار در سر راهش مانند نرده ها، پلها، تپه ها و ساختمانها پژواک های بسیاری را دریافت میدارد، اما از آنجایی که همه این اجسام ثابت هستند به جزء خودروها مورد نظر، لذا سیستم رادار خودروهای پلیس از میان امواج منعکس شده، فقط آنهایی را انتخاب می کند 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 می شوند. البته امروزه پلیس ها در برخی کشورها از جمله کشور خودمان از تکنولوژی لیزر برای تعیین سرعت خودروها در بزرگراه ها استفاده می کنند. تکنولوژی به نام «لیدار» شناخته می شود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمرکز (یا همان لیزر) استفاده می شود.
1-7- کاربرد رادارها
1-7-1- کاربرد های غیرنظامی
برخی ازکاربردهای غیر نظامی رادار که در جهت صلح و آرامش و راحتی زندگی انسان استفاده میشود بطور اختصار اشاره می شود:
- کنترل ترافیک هوایی : کنترل ترافیک واعلام وضعیت هوایی دراطراف فرودگاه ها ودربرخی از هواپیماهای پیشرفته دریاری رساندن به خلبان هنگام فرود و در وضعیت بد آب و هوایی که دید کافی وجود ندارد.
- ناوبری هوایی و دریایی: جهت نشان دادن موقعیت،سرعت،مسافت طی شده و مسیر یابی در هر لحظه.
- جلوگیری از تصادف کشتی ها :استفاده از یک رادار کوچک با برد محدود در جلوی کشتی جهت شناسایی موانع مقابل کشتی.
- فضایی : سنجش از دور و شناسایی اجرام و کرات آسمانی.
- کنترل سرعت : کنترل سرعت خودروها در بزرگراه ها توسط پلیس.
- کنترل خط تولید :کنترل خط تولید و سرعت بهره برداری از خطوط
- هواشناسی: پیشبینی وضعیت آب و هوای مناطق مختلف با استفاده از جهت وزش باد
- زمین شناسی : بررسی و شناسایی وضعیت اقیانوس ها، دریاها، منابع زیرزمینی ، معادن و آتشفشان ها
- کشاورزی : محاسبه میزان اراضی زیرکشت وبرآوردمحصولات مختلف کشاورزی. باتوجه بآنکه محصولات مختلف کشاورزی دارای خواص الکترومغناطیسی (انعکاس امواج) متفاوتی است.
1-7-2- کاربرد های نظامی
- دیده بانی Early Warning مراقبت و تعیین مشخصات هدف
- ناوبری نظامی Navigation
- کنترل و هدایت آتش Fire Control System
- ردیاب Track
1-8- ساختمان رادارها
1-8-1- فرستنده های رادار
اولین رادارهایی که قبل ازجنگ جهانی دوم با موفقیت آماده بهره برداری شدند، ازلامپ خلا معمولی دارای استفاده میکردند. نوسان ساز مگنترون، که باعث پیدایش و توسعه ،VHF شبکه کنترل ومناسب کار در باند رادارهای مایکروویو درزمان جنگ جهانی دوم شد،یکی از پر مصرفترین وکاربردیترین فرستنده های راداری بود همچنین تقویت کننده های کلیسترون امکان کار با شکل موج های پیچیده تر از رشته پالسهای معمولی را فراهم کرد.که از خانواده مگنترون بود و انواع گوناگونی دارد ساخته (CFA) در دهه 1960 تقویت کننده میدان متقاطع شد. ویژگیهای عمومی آنها باند وسیع، بهره نسبتا کم وکوچکی ابعاد آن می باشد و بیشتر شبیه مگنترون است تا کلیسترون همچنین ابزارهای نیمه هادی از قبیل ترانزیستورها و دیودهای بهمنی نیز بعنوان نوعی فرستنده به کار می روند اما توان هر یک به تنهایی کم است.
برای تامین برد راداری مطلوب باید فرستنده از توان کافی برخوردار باشد، اما در عین حال سایر شرایط لازم رادارهای آرایه فازی هر یک ویژگیهای خاصی دارند که بر،MTI ،CW را هم باید برآورده نماید. رادارهای فرستنده و روش عملکرد آن اثر میگذارد. از مباحثی که باید در طراحی رادار و انتخاب فرستنده مورد توجه و ولتاژ بالا ، شرایط مدولاس یون و xقرار گیرد، برد ، ثابت یا متحرک بودن ، وزن، اندازه ، حفاظت در برابر اشعه حتی مسئله خنک کردن آن است. البته از آنجا که فرستنده بخش بزرگی از رادار میباشد چگونگی انتخاب آن بسیار حائز اهمیت است.
با توجه به معادله کلاسیک رادار دیدیم که اگر بخواهیم به 2 برابر برد موجود برسیم باید توان ارسالی رادار را16 برابر کنیم ولی افزایش برد با این روش بسیار پر هزینه است. فرستنده ها بسیار پیچیده تر از یک لامپ هستند و شامل تقویت کننده های راه انداز ، تقویت کننده های توان بالا ، منبع تغذیه برای تولید جریان و ولتاژمورد نیاز لامپ، مدولاتور، خنک کننده لامپ، مبدل دما، وسایل ایمنی برای تخلیه جرقه ها، کلید های ایمنی، می باشد. راندمانی که برای بیشتر لامپها تعریف x وسایل نشان دهنده وضعیت سیستم و محافظی در برابر اشعه ورودی که برای DCخروجی لامپ به توان RF میباشد که عبارتست از توان RF میشود ، راندمان تبدیل برقراری جریان الکترونها لازم است. البته مهندسین سیستم بیشتر، راندمان کلی فرستنده را مورد توجه قرار می دهند.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.