نقش رادار در ایمنی پرواز

رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت هدف بکار می رود. امواج رادار اگر چه دیده نمی‏شود، چیزی است که در تمام اطراف ما وجود دارد. با رادارمی توان درون محیطی را که برای چشم غیر قابل نفوذ است، مشاهده نمود. مانند تاریکی، باران، مه، برف، غبار و.... اما مهمترین مزیت رادار توانایی آن در تعیین فاصله یا حدود هدف می باشد.کاربرد رادارها در اهداف زمینی، هوایی، دریایی، فضایی و هواشناسی می توان پیش بینی های لازم را ارائه کرد. 

لازم به ذکر است که بدانیم کلمه رادار اختصاری از کلمات Radar Detection And Ranging است، چرا که رادار در ابتدا بعنوان وسیله ای برای هشدار نزدیک شدن هواپیمای دشمن بکار می رفت و ضد هوایی را در جهت مورد نظر می گرداند. اما یکی از مهمترین وظایف رادار تعیین فاصله هدف تا فرستنده است که هیچ تکنیک دیگری به خوبی و به سرعت رادار قادر به اندازه گیری این فاصله نیست.

• تاریخچه

نخستین بار در سال 1901 «هوگو ژرنسبارک» که او را «ژول ورن» آمریکایی می‌نامند، در یک داستان علمی – تخیلیآن را طرح ریزی کرد. در سال 1906 یک دانشجوی 23 ساله آلمانی به نام "هولفس یر" دستگاهی ساخت که با اصول رادارهای امروزی می‌توانست امواجی را به سوی موانع بفرستد و بازتاب آنها را دریافت دارد. آزمایش اساسی ارسال امواج الکترومغناطیسی به سوی هواپیماهای در حال پرواز، بوسیله یک دانشمند فرانسوی به نام "پیر داوید" انجام یافت. در آغاز جنگ دوم جهانی بود که تکنسینهای انگلیسی موفق شدند نخستین مدلهای راداری امروزی را بسازند. اما کار آنها یک مشکل اساسی داشت. امواج تا نقطه‌ای که می‌خواستندنمی‌رسید وتنها تا پنج هزار متر برد داشت.

به همین دلیل یک فرانسوی دیگر به نام "موریس پونت" در سال 1930 موفق به اختراع دستگاهی جالب به نام "مانیترون" شد که امواج بسیار کوتاه رادیویی را بوجود می‌آورد و به همین دلیل رادارهایی که به کمک این وسیله تکمیل شدند توانستند تا دهها کیلومتر بیش از رادار قبلی امواج را ارسال کنند. دستگاه اختراعی پونت در سال 1935 ابتدا در کشتی معروفی به نام نرماندی نصب شد و توانست آن را از خطر برخورد با کوههای عظیم یخی شناور در اقیانوس محافظت کند و بدین ترتیب رادار علاوه بر استفاده وسیع در هوا، سطح دریاها را هم به تسخیر خود در آورد.

• مکانیسم عمل

همانطور که امواج دریا و امواج صوتی پس از رسیدن به مانعی منعکس می‌شوند، امواج الکترومغناطیسی هم وقتی به مانعی برخورد کنند، بر می‌گردند و ما را از وجود آن آگاه می‌سازند. به کمک امواج الکترومغناطیسی نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر می‌شویم، بلکه بطور دقیق تعیین می‌کنیم که اجسام ساکن هستند یا از ما دور و یا به ما نزدیک می‌شوند. حتی سرعت جسم نیز به خوبی قابل محاسبه است. وقتی امواج منتشر شده از رادار به یک جسم دور برخورد می‌کنند، به طرف نقطه حرکت بر می‌گردند. امواج برگشتی توسط دستگاههای خاص در مبدا تقویت می‌شوند و از روی مدت رفت و برگشت این امواج، فاصله بین جسم و رادار اندازه گیری می‌شود.  

کاربردها   

• نظامی

درجنگ جهانی دوم زمانیکه رادار وارد صحنه نبرد شد،انگلستان پایگاههای وسیعی را با رادار مجهز کرد و به این ترتیب هواپیماهای آلمانی در کار خودشان دچار اختلال شدند. 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 دریایی هایی 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 جنگ های زیر دریاییها نیز وارد عمل شدند و توجه قدرتهای بزرگ تسلیحاتی راحتی پس از شکست هیتلر و پایان جنگ جهانی به خودشان جلب کردند. اما صرف نظر از کاربردها نظامی، رادار خدمات صلح آمیز بسیاری را بری انسان امروزی در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت های دریایی و هوایی همگی مدیون رادار هستند.

• علمی

در حقیقت یکی از مهمترین کاربردهای علمی رادار با آغاز عصر فضا بوجود 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 آن بود که سفینه ها بتوانند از سطح سیارات عکسبرداری کنند. بنابرین رادار علی رغم خرابی هاییکه با گسترده تر کردن جنگ ها به وجود آورد، توانست خدمات بسیار ارزنده ای را برای جامعه بشری به ارمغان آورد و انسان این همه را مدیون طبیعت بی ادعاست.

• صنعتی و بازرگانی

عمدتاً آنچه را که توسط رادار شناسایی می‏شود متحرک می باشد (مانند هواپیما) اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسام که مثلاً در زیر زمین نیز مدفون شده‏ اند، نیز می‏باشد. در بعضی از موارد حتی رادار می‏تواند ماهیت آنچه را که می‏یابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپیمیی که شناسایی می‏کند.

• مثالی از کاربرد رادار

حال بیایید در مورد نمونه ای واقعی از راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار می‏رود صحبت کنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن کردن فرستنده 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 متر صد 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.

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، تپه ‏ها 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 اندازه ‏‏ای که جسم متحرک اضافه سرعت داشته باشد) در ضمن آنتن این رادارها بسیار دهانهﻱ 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. این تکنولوژی به نام «لیدار» شناخته می‏شود. در این مدل بجای امواج رادیویی از اشعه نوری متمرکز (یا همان لیزر) استفاده می‏شود.)

• فضایی

شاتل‏های فضایی و ماهواره‏های دوار بر دور کره زمین از چیزی با عنوان رادار حفره‏ های مجازی برای تهیه نقشه از عوارض جغرافیایی سطح زمین، ماه و دیگر سیارات استفاده می‏کنند.

• رادار در طبیعت

شاید رادار طبیعی بیشترین استفاده را برای خفاش دارد. چرا که این پرنده شب پرواز، دارای حس بینایی ضعیفی است و به کمک طبیعت راداری که دارد، می‌تواند موانع دور و برخود را تشخیص دهد. خفاش هنگام پرواز فریادهای ابر صوتی خاصی ایجاد می‌کند که پس از برخورد با اجسام مختلف، منعکس می‌شود و به گوش خفاش می‌رسد. بوسیله همین پژواک صداهای ابر صوتی است که نوع مانع و فاصله آن را تشخیص می‌دهد و طوری پرواز می‌کند که از تصادم با آنها در امان باشد.

بالنها و دلفینها نیز از همین پدیده بازتاب استفاده می‌کنند که در مورد بازتابهای صوتی به آن "سونار" گفته می‌شود.

• بخشهای مختلف رادار

یک رادار ساده شامل آنتن، فرستنده، گیرنده و عنصر آشکار ساز انرژی یا گیرنده می‌باشد.آنتن فرستنده پرتوهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط نوسانگر را دریافت و به گیرنده می‌دهد. معمولی‌ترین شکل موج در رادارها یک قطار از پالسهای باریک مستطیلی است که موج حامل سینوسی را مدوله می‌کند.

• انواع رادار

رادارها در روی زمین و در هوا، دریا و فضا بکار گرفته می شوند. رادارهای زمینی بیشتر برای آشکار سازی، تعیین موقعیت و ردیابی هواپیما یا اهداف هوایی مورد استفاده قرار می گیرند. رادارهای دریایی بعنوان یک وسیله کمکی به کشتیرانی و وسیله ای مطمئن برای تعیین موقعیت شناورها، خطوط ساحل و دیگر    کشتی ها و همچنین دیدن هواپیما بکار می روند. رادارهای هوایی برای آشکار سازی هواپیما، کشتی و وسائط نقلیه زمینی و یا نقشه برداری زمین، اجتناب از طوفان، جلوگیری از برخورد با زمین و یا ناوبری می توانند مورد استفاده قرار گیرند. در فضا، رادار به هدایت اجسام پرنده کمک می کند و برای ارتباط راه دور با زمین و دریا بکار می رود.

• رادار هواپیما چیست ؟

رادار وسیله ای است برای جمع آوری اطلاعات از اشیاء یا هدف های محیط به ویژه در فواصل دورکه در آن از تجزیه و تحلیل امواج الکترومغناطیس برگشتی، فاصله، ابعاد، سرعت و بسیاری از خواص هدف موردنظر تعیین می شود. بطور کلی رادار شامل یک فرستنده و یک گیرنده و یک یا چند آنتن است. فرستنده قادر است که توان زیادی را توسط آنتن ارسال دارد و گیرنده تا حد امکان انرژی برگشتی از هدف را جمع می کند، از آنجا که بیشتر رادارها انرژی فرستنده را به صورت پالس ارسال می کنند، بنابراین استفاده از یک آنتن هم برای فرستنده و هم برای گیرنده توسط یک تقسیم کننده زمان امکان پذیر خواهد بود. از موارد مهم در طراحی رادار نوع آنتن و پترن تشعشعی آن می باشد. آنتن های رادار را معمولا برای مرور نواحی بخصوص از فضا طراحی می کنند که مسیر مرور بستگی به کاربرد آن دارد، آنتن ها در بیشتر رادارها منعکس کننده های سهموی با تغذیه شیپور ی یا دو قطبی می باشند. البته در برخی موارد ناچار به استفاده از رادارهایی با آنتن آرایه فازی می باشیم.رادارهایMTI ، CW  برای تأمین برد راداری مطلوب باید فرستنده از توان کافی برخوردار باشد. گیرنده باید پیامهای مطلوب را از نامطلوب جدا نموده و پیامهای مطلوب را تا حدی که اطلاعات هدف برای کاربر قابل نمایش بوده و یا در داده پرداز خودکار قابل استفاده باشد، تقویت نماید. ساختار گیرنده رادار نه تنها به شکل موج آشکار شونده بستگی دارد، بلکه به ماهیت اکوهای کلاتر، تداخل و نویز که با پیامهای اکو مخلوط می شوند هم بستگی دارد. نویز ممکن است از طریق پایانه آنتن، به همراه پیام مورد نظر وارد گیرنده خروجی، گیرنده S/N شود و یا ممکن است در داخل خود گیرنده ایجاد گردد. برای به حداکثر رساندن نسبت و یا معادل آن باشد. بدیهی است که گیرنده باید طوری (Matched Filter) باید دارای یک ف..تر انطباقی طراحی شود که کمترین نویز داخلی را بخصوص در طبقات ورودی که پیام های مطلوب در ضعیف ترین حالت خود هستند، ایجاد نماید.

در سیستم های راداری از گیرنده های سوپر هترودین، بدلیل حساسیت خوب، بهره زیاد، قابلیت گزینش فرکانس و ضریب اطمینان خوب تقریبا همیشه استفاده می شود و هیچ نوع گیرنده ای قابل رقابت با این نوع گیرنده ها نیستند.

در یک سیستم رادار، یک آنتن که به سرعت می چرخد پرتوی از امواج الکترومغناطیسی را شامل پالس های کوتاه از انرژی زیاد امواج رادیویی را در تمام جهات منتشر می کند هر گونه هدف یا مانعی که در معرض انرژی این امواج قرار گیرد بخش کوچکی از این انرژی را برگشت می دهد این امواج بازتاب شده به خود آنتن فرستنده که در این حالت به عنوان انتن گیرنده عمل می کند می رسد پژواک به دست آمده از هدفها پس از پروسه کردن سیگنالهای برگشتی و بازتاب شده که بسیار ضعیف هم هستند پدید می آید، برای بهره برداری بر روی صفحات نشان دهنده رادار به نمایش در می آید.  

 

• اساس کار رادار:

اصلی که رادار بر مبنای آن کار می کند در عمل شبیه به اصل انعکاس صدا است که این پدیده، پدیده ای شناخته شده است در رادار به جای امواج صوتی از امواج رادیویی استفاده می شود امواج رادیویی با سرعتی معادل 300000 کیلومتر بر ثانیه (186000 مایل بر ثانیه) که به مراتب بیشتر از سرعت امواج صوتی است حرکت می کند و از این رو قادر است فواصل بسیار دورتری را نیز مورد بررسی قرار دهد.رادارهایی که امروزه در هوانوردی غیرنظامی استفاده میشود در دو گروه کلی مورد بحث قرار میگیرد Surveillance Radar Primary وSecondary Surveillance Radar از آنجایی که این دو رادار از هر جهت کامل نیستند اکثراً با هم در یک سایت نصب میشوند. در اینجا سعی میکنم این دو سیستم رو به همراه معایب و محاسن معرفی کنیم.

:Primary Surveillance Radarاین اولین نوع رادار بود که در هواپیمایی بکار گرفته شد. اساسکار بر مبنای فرستادن یک سیگنال و محاسبه زمان برگشت آن از هدف بود. این رادار در ساده ترین حالت از چهار بخش مهم تشکیل شده :  

۱- فرستنده 2- گیرنده 3- آنتن 4- صفحه نمایش (Plan Position Indicator). 

در ابتدای کار آنتن در حالت فرستندگی است و در زمانی بسیار کوتاه ( حدود 2 میکرو ثانیه) امواج الکترومغناطیسی را پخش میکند. به این زمان Tx Time میگویند.

انرژی به یک آنتن Directional تغذیه شده و در فضا پخش میشود. دقت کنیم که آنتن رادار در اصل یک آنتن سمتی است (پخش کننده در یک سمت) ولی وقتی که به گردش در می آید کار یک آنتن همه جهته (Omnidirectional) را میکند.

بعد از پخش اموج نوبت به دریافت برگشتی حاصل از برخورد به اهداف است. از اینرو فرستنده خاموش و گیرنده روشن میشود. در مدت زمانی حدود چندین هزار میکرو ثانیه گیرنده روشن میماند. به این زمان Rx Time گویند.

برگشتی های رادار در صفحه نمایش PPI نمایش داده میشود.برای سوییچ بین فرستنده و گیرنده نیز از یک Duplexer استفاده میشود.برد رادار ها نیز تابع قرت خروجی فرستنده و زاویه نصب آنتن نصبت به افق است  .(Tilt Angle)

در مبحث رادار دو تعریف اصولی داریم که بیان علمی و فنی پارامترهای Rx Time و Tx Time است: 

:Pulse Repetition Frequencyتعداد پالسهای فرستنده در واحد زمان است. این مقدار با برد رادار نسبت عکس دارد یعنی هرچه برد بیشتر شود چون Rx Time زیاد میشود PRF کم میشود.

:Pulse Repetition Intervals به فاصله دو پالس متوالی میگن و در حقیقت همان Rx Time است. هر چه برد بیشتر شود PRI  نیز زیاد میشود.

سیستم رادار اولیه به دلیل نبودن سیستم کمکی خارجی (نظیر آنچه که درSecondary Surveillance Radarاستفاده میشود) دارای معایب گوناگونی است. تلاشها مخصوصاً در کاربرهای نظامی بر این بوده که این محدودیتها به حداقل برسد. بطور کلی محدودیتهای PSR به شرح زیر است:

1-      اهمیت قدرت فرستنده برای پوشش برد حداکثر.

2-      مشکل تفکیک اهداف ثابت و متغیر

3-   مشکل در تشخیص اهداف از همدیگر

4-   نداشتن ارتفاع اهداف

5-   رادارهای اولیه یا همون PSR اشکالاتی داشت که سعی شد با تکنیکهای مختلف اونها رو رفع کنند. یکی از این تکنیکها خاصیت داپلر بود.

6-   طبق خاصیت داپلر اگر فرستنده و یا گیرنده از منبع تولید انرژی دور و یا به آن نزدیک شوند مقدار فرکانس دریافتی توسط گیرنده بسته به جهت و اندازه سرعت کم و یا زیاد میشود.

تصور کنید که از یک رادار معمولی در یک منطقه کوهستانی میخواهیم استفاده کنیم. طبق تعریف سیستم گیرنده رادار برگشتی از هر مانع خوا ثابت و خواه متحرک رو بر روی PPI نشانمیدهد و نتیجتا صفحه نمایش بسیار شلوغ شده و تفسیر اطلاعات رادار سخت و یا نا ممکن میشود. ولی اگر سیستم رو با یک مقایسه کننده فاز ( Phase Comparator ) مجهز کنیم تا اصل داپلر را برای ما پیاده کند دیگر با چنین مشکلی مواجه نخواهیم بود. به این ترتیب فاز سیگنالهای برگشتی رادار در  PRF  های متوالی با هم مقایسه شده و در صورت یکسان بودن فازها هدف ثابت فرض شده و از صفحه نمایش حذف میشود. لذا در حال حاضر سیستمها به همراه واحدی به نام Moving Target Indicator یا MTI همراه است و کنترلر میتواند با فعال کردن آن Phase Comparator را وارد مدار گیرنده کرده و هدفهای ثابت را از سیستم حذف کند. 

سیستم MTI اگرچه برای رفع برخی از معایب مفید بود ولی اشکالاتی نیز به همراه داشت که در حیطه نظامی بسیار حساس و خطرناک بود. این اشکالات به این ترتیب است:   

سرعت کور :(Blind Speed) برای هر سیستم رادار (از نوع داپلر) میتوان یک سرعت پیدا کرد که اگر هواپیما ضمن حرکت در امتداد مرکز آنتن رادار آن سرعت را حفظ کند در رادار نشان داده نخواهد شد. این سرعت به فرکانس کاری رادار بستگی دارد و از یک رادار به رادار دیگر بدلیل اختلاف فرکانسها متفاوت است.در سیستمهای نظامی فرکانس رادارها محرمانه است و از تکنیکهای جنگ الکترونیک هوایی کشف فرکانس رادار دشمن برای پیدا کردن سرعت کور است ولی در سیستم غیر نظامی این سرعت را محاسبه کرده و هواپیماها را طوری هدایت میکنند که در این سرعت قرار نگیرند. 

این پدیده هنگامی اتفاق میافتد که تغییر مکان محور جابجایی یک هواپیما در امتداد مرکز رادار برابر ضریب صحیحی از نصف طول موج اواج رادار باشد سیگنالهای برگشتی از هدف همفاز سیگنالهای فرستاده شده بوده و هدف ثابت فرض میشود.

Radar Detection And Ranging است، چرا که رادار در ابتدا بعنوان وسیله ای برای هشدار نزدیک شدن هواپیمای دشمن بکار می رفت و ضد هوایی را در جهت مورد نظر می گرداند. اما یکی از مهمترین وظایف رادار تعیین فاصله هدف تا فرستنده است که هیچ تکنیک دیگری به خوبی و به سرعت رادار قادر به اندازه گیری این فاصله نیست.