رادار چيست؟

چکيده :

رادار يك سيستم الكترومغناطيسي است كه براي تشخيص و تعيين موقعيت هدف بكار مي رود . با رادار مي توان درون محيطي را كه براي چشم ،غير قابل نفوذ است ديد مانند تاريكي ،باران،مه.برف،غبار و غيره . اما مهمترين مزيت رادار توانايي آن درتعيين فاصله يا حدود هدف مي باشد .كاربرد رادارها در اهداف زميني ، هوايي،دريايي، فضايي و هواشناسي مي باشد.

امواج رادار چيزي است كه در تمام اطراف ما وجود دارد، اگر چه ديده نمي‏شود. اما مركز كنترل ترافيك فرودگاهها براي رديابي هواپيماها چه آنها كه بر روي باند فرودگاه قرار دارند و چه آنها كه در حال پرواز هستند، از رادار استفاده مي‏كنند. در برخي از كشورها پليس از رادار براي شناسايي خودروهاي با سرعت غير مجاز استفاده مي‏‏كند. ناسا از رادار براي شناسايي موقعيت كرة زمين و ديگر سيارات استفاده مي‏كند، همين طور براي دنبال كردن مسير ماهواره ‏ها و فضاپيماها و براي كمك به كشتي‏ها در دريا و مانورهاي رزمي از آن استفاده مي‏شود. مراكز نظامي نيز براي شناسايي دشمن و يا هدايت جنگ افزارهايشان از آن استفاده مي‏كنند.

هواشناسان براي شناسايي طوفانها، تندبادهاي دريايي و گردبادها از آن استفاده مي‏برند. شما حتي نوعي خاص از رادار را در مدخل ورودي فروشگاهها مي‏بينيد كه در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز مي‏كنند. بطور واضح مي‏بينيد كه رادار وسيله‏ اي بسيار كاربردي مي‏باشد.

استفاده از رادار عموماً در راستاي سه هدف زير مي‏باشد:

• شناسايي حضور يا عدم حضور يك جسم در فاصله ه‏اي مشخص – عمدتاً آنچه كه شناسايي مي‏شود متحرك است و مانند هواپيما، اما رادار قادر به شناسايي حضور اجسامی كه مثلاً در زيرزمين نيز مدفون شده ‏اند، نيز مي‏باشد. در بعضي از موارد حتي رادار مي‏تواند ماهيت آنچه را كه مي‏يابد مشخص كند، مثلاً نوع هواپيمايي كه شناسايي مي‏كند.

• شناسايي سرعت آن جسم- دقيقاً همان هدفي كه پليس در بزرگراه‌ها براي كنترل سرعت خودروها از آن استفاده مي‏كند.

• جابه‌جايي اجسام – شاتل‏هاي فضايي و ماهواره هاي دوار بر دور كره زمين از چيزي به عنوان رادار براي شناسايي حفره ‏هاي مجازي ،  تهيه نقشه جزئيات زمين ، نقشه ‏هاي عوارض جغرافيايي سطح ماه و ديگر سيارات استفاده مي‏كنند.

مقدمه
خيالپردازي در بسياري از مواقع به حقيقت می‌پيوندد. جالب است بدانيد که اختراع رادار هم در حقيقت همانند بسياري از اختراعات ديگر ريشه در يک داستان علمي – تخيلي دارد. واژه رادار که امروزه در سرتاسر دنيا کاربرد دارد، همانند راديو و تلويزيون يک اصطلاح بين المللي شده است. در واقع اختراع رادار از يک پديده فيزيکي و بسيار طبيعي به نام انعکاس گرفته شده است.
 همه ما بارها و بارها بازگشت صدا را در مقابل صخره‌هاي عظيم تجربه کرده ا‌يم. نور خورشيد هم با استفاده از همين پديده است که از سوي ماه و در هنگام شب به ما می‌رسد.

امواج راديويي و الکترومغناطيس نيز قابليت انعکاس و بازتاب دارند و رادار بر اساس همين خاصيت ساده بوجود آمد. ساده‌ترين رادارها در حقيقت از يک فرستنده و يک گيرنده راديويي بوجود آمدند. در ابتدا اين وسيله فقط قادر بود وجود شيء را اعلان کند و به هيچ وجه توانايي تشخيص اندازه و ويژه گي هاي ديگر آن را نداشت. بنابرين بشر در ساخت رادار نيز از طبيعت استفاده‌هاي فراوان و اساسي کرده و با تغييراتي جزئي براي خود وسيله ا‌ي سودمند ساخته است.

تاريخچه
نخستين بار در سال 1901 « هوگو ژرنسبارک » که او را «ژول ورن» آمريکايي می‌نامند، در يک داستان علمي _ تخيلي ، آن را طرح ريزي کرد. در سال 1906 ، يک دانشجوي 23 ساله آلماني ، به نام « هولفس ير » دستگاهي ساخت که با اصول رادارهاي امروزي می‌توانست امواجي را بسوي موانع بفرستد و بازتاب آنها را دريافت دارد. آزمايش اساسي ارسال امواج الکترومغناطيسي بسوي هواپيماهاي در حال پرواز ، بوسيله يک دانشمند فرانسوي به نام « پير داويد » انجام يافت. در آغاز جنگ دوم جهاني بود که تکنسينهاي انگليسي موفق شدند، نخستين مدلهاي راداري امروزي را بسازند. اما کار آنها يک مشکل اساسي داشت. امواج تا نقطه‌اي که  می‌خواستند نمی‌رسيد و تنها تا پنج هزار متر برد داشت.

به همين دليل يک فرانسوي ديگر به نام "موريس پونت" در سال 1930 موفق به اختراع دستگاهي جالب به نام "مانيترون" شد که امواج بسيار کوتاه راديويي را بوجود می‌آورد و به همين دليل رادارهايي که به کمک اين وسيله تکميل شدند توانستند تا دهها کيلومتر بيش از رادار قبلي امواج را ارسال کنند. دستگاه اختراعي پونت در سال 1935 ابتدا در کشتي معروفي به نام نرماندي نصب شد و توانست آن را از خطر برخورد با کوههاي عظيم يخي شناور در اقيانوس محافظت کند و بدين ترتيب رادار علاوه بر استفاده وسيع در هوا ، سطح درياها را هم به تسخير خود در آورد.

مکانيسم عمل
همانطور که امواج دريا و امواج صوتي پس از رسيدن به مانعي منعکس می‌شوند، امواج الکترومغناطيسي هم وقتي به مانعي برخورد کردند، بر می‌گردند و ما را از وجود آن آگاه می‌سازند. به کمک امواج الکترومغناطيسي نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر می‌شويم، بلکه بطور دقيق تعيين می‌کنيم که ايا ساکن هستند يا از ما دور و يا به ما نزديک می‌شوند. حتي سرعت جسم نيز بخوبي قابل محاسبه است. وقتي امواج منتشر شده از رادار ، به يک جسم دور برخورد می‌کنند، به طرف نقطه حرکت بر می‌گردند. امواج برگشتي توسط دستگاههاي خاص در مبدا تقويت می‌شوند و از روي مدت رفت و برگشت اين امواج ، فاصله بين جسم و رادار اندازه گيري می‌شود.

کاربردها

• نظامي
  درجنگ جهاني دوم زمانيکه رادار وارد صحنه نبرد  شد، انگلستان پيگاههاي وسيعي را با رادار مجهز کرد و به اين ترتيب هواپيماهاي آلماني در کار خودشان دچار اختلال شدند. به عقيده بسياري از کارشناسان همين رادار بود که آلمان را علي رغم حمله‌هاي گسترده هوايي بر روي شهرهايي نظير لندن ، ناکام گذاشت. همچنين بسياري از زير دريايي هايي که تعداد زيادي از کشتيهاي حمل و نقل و ناوهاي جنگي متفقين را به قعر دريا می‌فرستادند، با کمک رادارها شناسايي شدند و در عمليات گوناگون خود دچار شکست گرديدند.

 رادارها حتي در توپخانه‌ها ، موشک اندازها و جنگ هاي زير درياييها نيز وارد عمل شدند و توجه قدرتهاي بزرگ تسليحاتي را ، حتي پس از شکست هيتلر و پايان جنگ جهاني به خودشان جلب کردند. اما صرف نظر از کاربردها نظامي، رادار خدمات صلح آميز بسياري را بري انسان امروزي در برداشته است. کاهش سوانح در مسافرت هاي دريايي و هوايي همگي مديون رادار هستند.

• علمي

در حقيقت يکي از مهمترين کاربردهاي علمي رادار با آغاز عصر فضا بوجود آمد و بشر توانست براي اولين بار با کمک رادار به فضا دسترسي پيدا کند و حتي سطح سياره ها و اشکال گوناگون آنها را شناسايي کند. اين موفقيت سالها قبل از آن بود که سفينه ها بتوانند از سطح سيارات عکسبرداري کنند. بنابرين رادار علي رغم خرابي هاييکه با گسترده تر کردن جنگ ها به وجود آورد، توانست خدمات بسيار ارزنده اي را براي جامعه بشري به ارمغان آورد و انسان اين همه را مديون طبيعت بي ادعاست!

• صنعتي وبازرگاني

شناسايي حضور يا عدم حضور يک جسم در فاصله ه‏اي مشخص – عمدتاً آنچه را که توسط رادار شناسايي می‏شود متحرک مي باشد ( مانند هواپيما ) اما رادار قادر به شناسايي حضور اجسام که مثلاً در زير زمين نيز مدفون شده‏ اند، می‏باشد. در بعضي از موارد حتي رادار می‏تواند ماهيت آنچه را که می‏يابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپيميي که شناسايي می‏کند. شناسايي سرعت آن جسم- دقيقاً همان هدفي که پليس از آن در بزرگراهها براي کنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏کند.

• مثالي از کاربرد رادار

حال بياييد در مورد نمونه اي واقعي از راداري كه براي شناسايي هواپيماهاي در حال پرواز بكار مي‏رود صحبت كنيم. سيستم رادار در ابتدا با روشن كردن فرستنده ، يك دسته موج راديويي متراكم در آسمان و در جهات مختلف پخش مي‏كند. اين ارسال براي چند ميكروثانيه صورت مي‏پذيرد، حال فرستنده خاموش شده و گيرنده سيستم رادار مترصد دريافت پژواك امواج كه به همراه اطلاعات حاصل از پديده داپلر نيز هستند مي‏ماند.

امواج راديويي با سرعتي معادل سرعت نور حركت مي‏كنند، تقريباً در هر ميكروثانيه 300 متر را در فضا طي مي‏كنند؛ حال اگر سيستم رادار مذكور داراي يك ساعت بسيار دقيق و قوي باشد، مي‏تواند با دقت بسيار بالايي موقعيت هواپيما را مشخص كند، با استفاده از روشهاي خاص پردازش سيگنال براي تحليل پديده داپلر بر روي موجهاي برگشتي مي‏توان به دقت سرعت هواپيما را مشخص كرد.

آنتن رادار ، يك دسته  پالس امواج راديويي  كوچك (اما قدرتمند) را با يك فركانس مشخص منتشر مي سازد. هنگامي كه امواج به يك جسم برخورد مي‏كنند منعكس شده و در اثر پديده داپلر فشرده ‏تر يا گسسته ‏تر مي‏شوند. همان آنتن وظيفه دريافت امواج منعكس شده را كه البته بسيار كمتر از امواج ارسالي هستند بر عهده دارد.

در رادارهاي زميني قضيه خيلي پيچيده‏تر از رادارهاي هوايي است، هنگامي كه يك رادار پليس به ارسال پالس موج راديويي مي‏پردازد بخاطر وجود اجسام بسيار در سر راهش مانند نرده‏ها، پلها، تپه ‏ها و ساختمانها پژواكهاي بسياري را دريافت مي‏دارد، اما از آنجايي كه تمام اين اجسام ثابت هستند به جزء خودروها مورد نظر، لذا سيستم رادار خودروهاي پليس ، از ميان امواج منعكس شده، فقط آنهايي را انتخاب مي‏كند كه در آنها پديده داپلر قابل شناسايي است،( آن هم به اندازه ‏‏اي كه جسم متحرك اضافه سرعت داشته باشد،) در ضمن آنتن اين رادارها بسيار دهانه تنگي دارند، چرا كه فقط بر روي يك خودرو تنظيم مي‏شوند.

البته امروزه پليسها در برخي كشورها از جمله كشور خودمان از تكنولوژي ليزر براي تعيين سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده مي‏كنند. اين تكنولوژي به نام «ليدار» شناخته مي‏شود. در اين مدل بجاي امواج راديويي از اشعه نوري متمركز (يا همان ليزر) استفاده مي‏شود.

• فضايي

جابجايي اجسام – شاتل‏هاي فضايي و ماهواره‏هاي دوار بر دور کره زمين از چيزي با عنوان رادار حفره‏ هاي مجازي براي تهيه نقشه از عوارض جغرافيايي سطح زمين ، ماه و ديگر سيارات استفاده می‏کنند.

• رادار در طبيعت

شايد رادار طبيعي بيشترين استفاده را براي خفاش دارد. چرا که اين پرنده شب پرواز ، داراي حس بينايي ضعيفي است و به کمک طبيعت راداري که دارد، می‌تواند موانع دور و برخود را تشخيص دهد. خفاش هنگام پرواز فريادهاي ابر صوتي خاصي ايجاد می‌کند که پس از برخورد با اجسام مختلف ، منعکس می‌شود و به گوش خفاش می‌رسد. بوسيله همين پژواک صداهاي ابر صوتي است که نوع مانع و فاصله آن را تشخيص می‌دهد و طوري پرواز می‌کند که از تصادم با آنها در امان باشد.
بالنها و دلفينها نيز از همين پديده بازتاب استفاده می‌کنند که در مورد بازتابهاي صوتي به آن "سونار" گفته می‌شود.

• رادار هواشناسي

در سالهاي اخير رادار براي افزايش كارايي پيش‌بيني وضع هوا به ابزاري بسيار ارزشمندي تبديل شده است. 

زمينه‌هاي استفاده از رادار در هواشناسي به شرح زير است :

1- تعيين فاصله هدف (ابر، منطقه بارش، جبهه ها و …) تا ايستگاه مورد نظر;

2- شناخت نوع هدف (انواع جبهه ها، انواع ابرها و …);

3- شناخت نوع ريزش (باران، تگرگ، برف و …);

4- شناخت موقعيت و ارزيابي انواع سيكلونهاي حاره‌اي و توفندها;

5- شناخت مسير حركت و تعقيب روند تغييرات تظاهرات فوق در مسير حركت.

كار رادار براساس خاصيت قطرات آب و ذرات بلور موجود در ابرهاست كه مانند مانعي، امواج ارسال شده از رادار مستقر بر سطح زمين را منعكس مي‌كنند.

از آنجا كه سرعت امواج الكترو مغناطيسي، ثابت (300.000 كيلومتر در ثانيه) است مي توان با استفاده از ارسال امواج و سنجش زمان رفت و برگشت آنها، فاصله هدف از ايستگاه را مشخص كرد.

دستگاه رادار از سه قسمت، يعني فرستنده، آنتن و گيرنده تشكيل شده است.

شيوه كار بدين شكل است كه ابتدا بوسيله لامپ فرستنده (magnetron) ، ضربان منقطع از امواج الكترومغناطيس با فركانس بالا توليد مي شود و آن را از طريق آنتن رادار، كه در بيشتر موارد محدب است، به سمت مانع (مثلا ابر) مي فرستند؛ پس از برخورد به قطرات يا ذرات بلور موجود در ابر، بلافاصله به انعكاس پخشي دچار مي‌شوند و به سوي زمين بر مي‌گردند كه البته تنها قسمتي از آن از طريق آنتن رادار به گيرنده مي‌رسد زيرا دامنه ضربان مورد بحث در اين رفت و برگشت تضعيف مي‌شود، لذا آن را با دستگاه تقويت كننده‌اي حدود يك ميليون برابر (106) تقويت مي‌كنند.

 

اين امواج در مرحله بعد به صفحه تصوير(نوسان‌نما) منتقل و سپس به صورت لكه‌هاي نوراني مشخص مي‌شوند. از روي تصوير دريافتي مي‌توان نوع تظاهرات جوي را به خوبي تشخيص داد؛ مثلا رگبار و ابرهاي تندري، در صفحه تصوير به صورت لكه هاي روشن و نامنظم ديده مي‌شود.

در بين تظاهرات جوي ؛ جبهه سرد، واضح‌تر و روشن‌تر از بقيه تصاوير ديده مي‌شود به طوري كه امكان شناسايي و پيش‌بيني مسير حركت آنها با هيچ روشي تا اين حد موفق نيست.

نگسراد
نگسراد به معني نسل جديد رادارهاي هواشناسي است و چنين وسيله‌اي براي سنجش و پيش بيني وقوع تغييرات ناگهاني آب و هوا (مثل توفان، گردباد) بكار مي‌رود.

در اين وسيله از امواج الكترومغناطيس استفاده مي‌شود. براي اين امواج نيز ممكن است (همانند صدا) پديده دوپلر روي دهد.
همانطور كه مي‌دانيد گردباد متشكل از ذرّات ريز آب و هوا است كه با سرعت زياد حول محوري متحرّك در چرخشند. امواج رادار توسط نگسراد صادر مي‌شود. بازتاب اين امواج از ذرّات آب به سمت نگسراد بازمي‌گردد. در اين حالت بسامد امواج فرستاده شده و بازتابيده با يكديگر مقايسه مي‌شوند.

البته امواج بازتابي داراي بسامد‌هاي مختلفي هستند. ذرّات كه به سمت دستگاه در حركتند امواج رادار را با بسامد بالاتر باز مي‌تابانند (طبق پديده دوپلر). برعكس ذرّات كه در حال دور شدن از نگسراد هستند امواج رادار را با بسامدي پايين‌تر از بسامد ارسالي باز مي‌تابانند.
پردازش‌هاي كامپيوتري بر روي مقادير بسامد دريافتي  تصاويري را مي سازد که  نشانگر جهت و سرعت باد مي‌باشند.

رادار تصويري

مقدمه :

گاه امکان بررسي اجسام از نزديک وجود ندارد . براي مثال جهت بررسي سطح اقيانوس ها نقشه برداري از اراضي جغرافيايي لزوم ساخت وسايلي که بتوانند از راه دور اين کاررا انجام دهند به چشم مي خورد . با دستيابي به تکنولوژي سنجش از راه دور بسياري از اين مشکلات برطرف گشت . در واقع در اين روش امکان بررسي اجسام وسطوحي که نياز به بررسي از راه دور دارند را فراهم مي آورد . سنجش از راه دور رامي توان به دو بخش فعال وغير فعال تقسيم کرد . گستره طول موج امواج ميکرويو نسبت به طيف مادون قرمز ومرئي سبب گرديده تا براي سنجش از راه دور به وسيله امواج از اين طيف استفاده گردد .

عملکردسيستم هاي سنجش غيرفعال همانند سيستم هاي سنجش دما عمل مي کنند .دراينگونه سيستم ها با اندازه گيري انرژي الکترومغناطيسي که هر جسم به طور طبيعي از خود ساطع مي کند نتايج لازم کسب مي گردد .هواشناسي واقيانوس نگاري از کاربردهاي اين نوع سنجش مي باشد .

در سيستم هاي سنجش فعال از طيف موج ميکرويو براي روشن کردن هدف استفاده مي شود . اين سنسورها را مي توان به دو بخش تقسيم کرد : سنسورهاي تصويري وغيرتصويري (فاقد قابليت تصويربرداري) .

از انواع سنسور هاي غير تصويري مي توان به ارتفاع سنج واسکترومتر ها(پراکنش سنج ) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنج ها در عکس برداري جغرافيايي وتعيين ارتفاع ازسطح دريا مي باشد .اسکترومتر که اغلب بر روي زمين نصب ميگردند ميزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گيري مي کنند . اين وسيله در مواردي همچون اندازه گيري سرعت باد در سطح دريا و کاليبراسيون تصوير رادار کابرد دارد .

معمول ترين سنسور فعال که عمل تصويربرداري را انجام مي دهد رادار مي باشد . رادارمخفف(radio detection and ranging) بوده  وبه معني آشکارسازي به کمک امواج ميکرويو است .به طور کلي مي توان عملکرد رادار را در چگونگي عملکرد سنسورهاي آن خلاصه کرد . سنسورها سيگنال هاي ميکرويو را به سمت اهداف مورد نظر ارسال کرده وسپس سيگنال هاي بازتابيده شده از سطوح مختلف را شناسايي مي کند . قدرت (ميزان انرژي) سيگنالهاي پراکنده شده جهت تفکيک اهداف مورد استفاده قرارمي گيرد . با اندازه گيري فاصه زماني بين ارسال ودريافت سيگنال ها مي توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزاياي شاخص رادار مي توان به عملکرد رادار در شب يا روز وهمچنين قابليت تصويربرداري درشريط آب و هوايي مختلف اشاره کرد . امواج ميکرويو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران مي باشند . از آنجاييکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهايي که با طيف هاي مرئي ومادون قرمز کار مي کنند متفاوت است لذا مي توان با تلفيق اطلاعات بدست آمده تصاوير دقيقي را بدست آورد .

§ اصول رادار :

مهمترين نکته حائز اهميت در بخش قبل را ميتوان معرفي رادار به عنوان وسيله اندازه گيري معرفي کرد . اجزاء تشکيل دهنده سيستم رادار فرستنده , گيرنده آنتن وسيستم هاي الکتريکي جهت ثبت و پردازش اطلاعات مي باشد . همانطور که در تصوير شماره 1 مشاهده مي شود فرستنده ، پالس هاي کوتاه ميکرويو (A) را که بوسيله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز مي شوند(B) با فاصله زماني معيين توليد مي کند . آنتن راداربخشي از سيگنال هي بازتابيده شده (c) از سطوح مختلف را دريافت مي کند.
با اندازه گيري مدت زمان ارسال پالس و دريافت پژواک هاي پراکنده شده از اشياء مختلف مي توان فاصله آنها ودر نتيجه موقعيت آنها را تعيين نمود .با ثبت و پردازش سيگنال بازتابيده توسط سنسور تصوير دو بعدي از سطح مورد نظر تشکيل مي گردد .

پهناي باند :

از آنجاييکه گستره طيف امواج ميکرويو نسبت به طيف هاي مرئي ومادون قرمزوسيع تر مي باشد لذا اکثر رادار ها از اين طيف استفاده مي کنند . در رادارهاي تصويري اغلب از طول موج هاي زير استفاده مي شود:

• ka&k&ku band

• Xband

• Cband

• Sband

• Lband

• P_band
  

تمامي طول موج هاي استفاده شده در رادارهاي تصويري در محدوده سانتيمتر است . طول موج رادار در نحوه تشکيل تصوير موثر مي باشد . با افزيش طول موج شاهد تصاوير با کيفيت بهتر مي باشيم .در دو تصوير زير(تصاوير شماره 2و3) از دو طول موج متفاوت استفاده شده است . شما مي توانيد تفاوت آشکاري را که دراين تصاوير وجود دارد مشاهده نماييد . علت اين تفاوت تغيير در نحوه فعل وانفعال سيگنال با سطح اشياء ميباشد که در ادامه درباره اين موضوع صحبت خواهد شد

قطبيدگي(polarization) :

هنگامي که در مورد امواج الکترومغناطيسي همانند امواج ميکرويو صحبت مي گردد بحث درباره قطبيدگي حائز اهميت مي باشد . قطبيدگي عبارت است از جهت ميدان الکتريکي در امواج الکترومغناطيسي . به طور کلي مي توان قطبيدگي امواج را به سه دسته تقسيم بندي کرد : قطبيدگي خطي و دايره اي وبيضوي .
اغلب رادار هاي تصويري از قطبيدگي خطي استفاده کرده , که اين نوع قطبيدگي را مي توان به دو بخش عمودي(vertical) وافقي (horizontal) تقسيم بندي کرد (تصوير شماره4). اغلب سنسورهاي رادار طوري طراحي شده اند که قابليت ارسال وهمچنين دريافت امواج را به يکي از دو صورت بالا دارا هستند . در بعضي از رادارها دريافت وارسال امواج با ترکيبي از دو نوع قطبيدگي انجام مي پذيرد

به طور کلي مي توان چهارترکيب از قطبيدگي رادار در نظر گرفت :

• HH

• VV

• HV

• VH

حرف H نشان دهنده قطبيدگي افقي وحرفV نميانگر قطبيدگي عمودي ميباشد . درچهارترکيب بالا حرف سمت راست نحوه دريافت سيگنال را نشان مي دهد .

§ هندسه رادار (radar geometry):
درسيستم تصويربرداري رادار هوايي با جابجانمودن سکو در يک مسير مستقيم که مسيرپرواز(flight direction)(A) ناميده مي شودعمل تصويربرداري انجام ميگردد . پاي قائم در صفحه تصوير را ندير(nadir)(B) مي ناميم .آنتن رادار امواج را براي روشن کردن نوارتصوير(swath) (C) ارسال مي کند . با قرار گرفتن نوارهاي تصوير در کنار هم ناحيه تصوير(track) (ناحيه خاکستري رنگ ) تشکيل مي گردد که اين ناحيه نسبت به خط ندير فاصله دارد . محور طولي ناحيه تصويرکه با مسير پروازموازي مي باشد را سمت(azimuth)(E) ومحورعرضي راکه برمسيرپروازعمود است را برد(range)(D) مي ناميم .

§ واژه شناسي :

محدوده نزديک (Near range): بخشي از نوارتصوير که به خط ندير نزديک است .

محدوده دور(far range) : بخشي از نوار تصوير که در فاصله دور نسبت به خط ندير قرار دارد .

برد ميل (slant range): خط شعاعي که از رادار به هريک از اهداف مي توان نظير کرد .

برد زميني (ground range ) : تصوير برد ميل در سطح زمين .

زاويه تابش(incidence angle) : زاويه بين پرتورادار و سطح زمين .

زاويه ديد(look angle) : زاويه بين خط عمود وپرتو رادار.

§ اثرات سطح بر تصوير رادار :
ميزان روشنيي ( درخشندگي ) تصوير به ميزان پراکندگي(scattering) سيگنال هاي ميکرويو در برخورد با سطح بستگي دارد . پراکنش سيگنال به پارامترهايي از قبيل مشخصات رادار (فرکانس قطبيدگي هندسه ديد و…) وهمچنين خصوصيات سطح (پستي وبلندي نوع پوشش و…) وابسته است . به طور کلي مي توانيم عوامل بالا را در سه عامل اصلي زير خلاصه کنيم :

1) صيقلي بودن سطح

2) هنسه ديد و رابطه آن باسطح

3) درصد رطوبت وخصوصيات الکتريکي سطح

صيقلي بودن سطح مهمترين عامل تعيين کننده روشنايي تصويرمي باشد . سطوح صاف موجب بازتابش آيينه اي(A) در فعل وانفعال سيگنال رادار با سطح مي گردند . درنتيجه اين نوع بازتابش مقدار اندکي ازسيگنال هاي بازتابيده شده به سمت رادار باز ميگردند . بنابرين سطوح صاف با درجه تيره گي بيشتر در تصوير ظاهر خواهند گشت . سطوح ناصاف سيگنال هاي رادار راتقريبا به صورت يکنواخت بازتاب مي دهند . و درنتيجه بخش عمده اي از اين سيگنال ها به سمت راداربازميگردند . بنابرين سطوح ناصاف با درجه روشنايي بيشتر در تصوير مشاهده مي شوند . به اين نوع انعکاس بازتابش پخشيده(B)گفته مي شود . احتمال وقوع انعکاس زاويه اي (C) در نواحي که از سطوح عمود برهم تشکيل شده وجود دارد. به بيان ساده تر سيگنال هاي بازتابيده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده ميشود .اين نوع انعکاس به طور معمول در مناطق شهري (ساختمان ها خيابان ها پل ها و… ) اتفاق مي افتد . صخره ها کوه ها ونيزار رودخانه ها نيز سيگنال رادار را اينگونه بازتاب مي دهند .

زاويه تابش(incidence angle) نيز در نحوه شکل گيري تصوير همچنين صيقلي بودن سطوح نقش ايفا مي کند . با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزيش زاويه تابش سيگنال هاي کمتري به سوي رادار بازميگردند ودر نتيجه درجه تيره گي افزيش مي يابد .به بيان ديگر با افزيش زاويه تابش سطوح صيقلي تر از مقدار واقعي خود در تصوير ظاهرمي شوند .

به طور کلي تغيير در هندسه ديد در بهبود نقشه هاي جغرافيايي وهمچنين برطرف کردن اختلال هايي از قبيل سيه دارشدن و کاهش عمق تصويرموثر مي باشد .

وجود رطوبت در خصوصيات الکتريکي وحجم اجسام موثر مي باشد . تغيير در خواص الکتريکي در جذب ارسال وهمچنين نحوه شکل گيري تصوير موثر مي باشد . بنابراين درصد رطوبت اجسام در فعل وانفعال سيگنال رادارومتعاقبا تصوير موثر مي باشد . معمولا با افزيش رطوبت جسم سيگنال هاي بيشتري توسط جسم بازتابيده مي شود . براي مثال علفزارهاي وسيع در هنگامي که مرطوب هستند در تصوير رادار روشنتر ظاهر مي شوند .

§ دقت تفکيک(spatial resolution) :
به ميزان توانايي رادار جهت تفکيک اشياء مختلف از همديگر دقت تفکيک گفته مي شود . بر خلاف سيستم هاي نوري افزيش دقت تفکيک در رادار بر اساس خصوصيات امواج ميکرويو وهمچنين تاثيرات هندسي انجام مي پذيرد . دررادارهايي که از يک آنتن جهت ارسال امواج استفاده مي کنند يک پالس موج ارسال گشته و با دريافت پژواک آن توسط گيرنده تصوير تشکيل مي شود .

دقت تفکيک را مي توان در دو راستا بررسي کرد . در جهت سمت ناحيه تصوير که دقت سمت (azimuth resolution) ناميده مي شود ودر جهت برد که آن را دقت برد (range resolution) مي ناميم .

دقت برد به طول پالس رادار (P) بستگي دارد . در صورتي که عمل تفکيک با طول بيشتر از نصف پالس صورت گيرد اهداف از يکديگر قابل تشخيص اند . براي مثال در شکل شماره 8 اهداف 1و2 در تصوير به صورت يک جسم مشخص شده در حاليکه هدف هاي 3و4 به راحتي از هم تفکيک شده اند . با افزيش زاويه تابش (افزيش برد )شاهد کاهش دقت برد مي باشيم .
دقت سمت به پهناي ستون امواج رادار يا پهناي زاويه اي (beam width) (A) و همچنين برد مايل(slant range) وابسته است . با افزيش پهناي زاويه اي مي توانيم شاهد دقت سمت باشيم . در تصويرشماره 9 اهداف 1و2 که در محدوده نزديک قرار دارند توسط رادار به راحتي قابل تشخيص اند درحاليکه هدف هاي 3و4 که در محدوده دور قرار گرفته اند قابل تشخيص نمي باشند . همچنين با افزيش طول آنتن رادار مي توان دقت سمت را افزيش داد

رادار دهانه ترکيبي (synthetic aperture radar):
همانطور که در قسمت قبل گفته شد جهت بالابردن دقت سمت مي توانيم طول آنتن رادار را افزيش دهيم . اگرچه در اين افزيش طول ما با محدوديت هايي مواجه هستيم . در رادرهاي هوايي طول آنتن رادار بين 1 تا 2 متر در نظر گرفته مي شود . در ماهواره ها ما مي توانيم اين محدوده را بين 10 تا 15 متر در نظر بگيريم . با تغييراتي در چگونگي حرکت سکوي رادار وثبت و پردازش سيگنال هاي بازتابيده شده مي توان بر محدوديت اندازه غلبه کرد . بدين طريق که ما با تغيير در نحوه رفتار رادار به صورت مجازي طول آنتن رادار را افزيش داده يم .

1) ابتداشيءهدف (A)سيگنال هاي ميکرويو را به صورت پالس دريافت کرده . پژواک هاي هر پالس توسط رادار ثبت مي شوند . سکوي رادار در مسير مستقيم به طور پيوسته در حال حرکت است . در طول زماني که شيء هدف در معرض پالس هاي رادار قرار داردعمل ثبت سيگنال هاي بازتابيده شده از شيءتوسط رادار انجام مي پذيرد .

2) زمان چنداني طول نمي کشد تا طول آنتن ترکيبي (B) مشخص گردد .

با افزيش پهناي زاويه اي وهمچنين کاهش سرعت سکو مي توانيم دقت سمت را در محدوده دور افزيش دهيم .در نتيجه شاهد ثابت ماندن دقت تفکيک درراستاي سمت مي باشيم .به تکنولوژي فوق که جهت افزيش دقت برد صورت مي پذيرد رادار دهانه ترکيبي يا SAR گفته مي شود .اين روش در اکثررادارهاي هوايي وفضايي استفاده مي شود .

§ خصوصيات تصوير رادار :
در تصاوير رادار با نوعي اختلال مواجه هستيم که به نويز اسپيکل(speckle) معروف است .اين اختلال که باعث ظاهرشدن دانه هاي ريزودرشت (بافت فلفل نمکي) در تصوير مي شود زاييده ساختار بهم ريخته سطح و همچنين تداخل سيگنال هي بازتابيده مي باشد . به عنوان نمونه يک سطح هموار مانند علفزار(تصوير شماره 11) را در نظر مي گيريم . بدون در نظر گرفتن اثر اين اختلال پيکسلهاي تصوير با درجه روشنايي يکسان مشاهده مي شوند . حال آنکه در تصوير حقيقي به علت تداخل سيگنال هاي پراکنده شده پيکسل ها داري درجات روشنايي متفاوت مي باشند .
در واقع نويز اسپيکل کيفيت تصاوير راکاهش داده ودر نتيجه درتحليل تصاويربا مشکل مواجه مي شويم .حال براي کاهش اين اثر ميتوان دو روش را بکار برد :

1) ديد چندگانه (multi-looking processing):

در اين روش هر پرتو رادار به چندين زيرپرتو (اشعه) تقسيم شده و هر اشعه وظيفه پوشش دادن يک ناحيه را بر عهده دارد . با ثبت تصاوير تشکيل شده توسط هر اشعه ومعدل گيري از آنها جهت تشکيل تصوير نهايي مي توان نويز اسپيکل را کاهش داد .

2) فيلترينگ (spatial filtering) :

پس از پايان يافتن مرحله اول وتشکيل تصوير اوليه فيلترکردن تصوير آغاز مي شود . دراين روش با حرکت دادن يک پنجره متشکل از تعدادي پيکسل (معمولا 55 يا 33 ) در طي سطر وستون تصوير از پيکسل هايي که هر پنجره پوشش مي دهد معدل گيري (درجه روشنايي پيکسل هاي موجود در هر پنجره اندازه گيري شده وپيکسلي با درجه روشنايي واحد جايگزين پنجره مربوطه مي گردد) انجام مي شود .

بايستي توجه داشته باشيم که کاهش نويز اسپيکل باعث کاهش وضوح تصوير مي گردد . همانطور که درتصاويرزير مشاهده مي شود تصوير زيرين نسبت به تصوير ديگر داري وضوح کمتري است . در نتيجه براي ايجاد تصاوير با جزئيات دقيق نمي توان از اين روش استفاده کرد . زماني که سطح هدف را وسيع در نظر بگيريم کاهش نويز اسپيکل مي تواند مثمر ثمرباشد .

گاه نياز به استفاده از اندازه گيريهاي دقيق جهت مقايسه مشاهدات وبدست آوردن نتايج لازم مي باشد . در نتيجه بايستي دقت ابزار اندازه گيري افزيش پيدا کند . اين فعل توسط فرآيندي به نام کاليبراسيون (calibrasion) انجام پذير است . ازآنجاييکه عمل اندازه گيري از اعمال اصلي رادار مي باشد در نتيجه کاليبراسيون بسيار مهم مي باشد . کاليبراسيون تلاش مي کند تا اختلاف ميان مقدار انرژي سيگنال بازتابيده با مقدار اندازه گيري شده توسط رادار کاهش يابد . در نتيجه کاليبراسيون دقيق ما شاهد تصاويري با دقت اندازه گيري يکسان توسط رادار خواهيم بود .

در کاليبراسيون نسبي سعي بر افزيش دقت سيستم رادار است . در حاليکه در کاليبراسيون مطلق با نصب دستگاه هايي بر روي زمين انرژي سيگنال هاي بازتابيده شده از سطح اندازه گيري شده و پس از تقويت به سوي رادار فرستاده مي شوند. رادار مي تواند با استفاده از اين مقادير به مقدار حقيقي انرژي دست پيدا کند .ودر نتيجه استنباط دقيقتري ازسطح حاصل داشته باشد .

§ کاربردهي پيشرفته :

علا وه بر کسب واستفاده درست از اطلاعات کابرد هاي خاص رادار به شرح زير مي باشد :

نخست تکنولوژي تصوير سه بعدي (stereo image) مي باشد . در اين روش با پوشش دادن ناحيه تصوير با زواياي تابش متفاوت وهمچنين بهره گيري ازجهت هاي ديد متفاوت يا مخالف و انطباق تصاوير ايجادشده مي توان يک تصوير سه بعدي از ناحيه تصوير ايجاد کرد .در نتيجه اختلال هايي از قبيل سيه دارشدن بعضي نواحي برطرف گرديده وزمينه براي تحليل دقيقتر تصاوير فراهم مي گردد . اين تکنولوژي در تحليل تصاوير مناطق جنگلي و جغرافيايي وهمچنين نقشه برداري از اراضي کاربرد دارد .

از ديگر پيشرفت هاي حاصل شده مي توان به قطبش سنجي (polqrimetry) اشاره کرد . در اين روش امکان دريافت و ارسال سيگنال هاي ميکرويو به صورت ترکيبي از قطبيدگي افقي و عمودي وجود دارد . در نتيجه ما مي توانيم چهار ترکيب HH VV VH HV را براي دريافت يا ارسال امواج در نظر بگيريم . بدين طريق با ايجاد تصاويري با ويژ گي هاي مختلف نتايج لازم جهت دستيابي به تصوير دقيقتر حاصل مي گردد .

منابع :

• مرکز سنجش از راه دور کانادا www.ccrs.nrcan.gc.ca
• سايت همکلاسي
• گروه مهندسي برق دانشگاه سمنان (ستار صمدي)
• دانشجويان مهندسي برق( مهدي )
• هواشناسي لرستان