پایان نامه اصول کلی رادار

پایان نامه مقطع کارشناسی

رشته مهندسی مخابرات

-1 مقدمه

رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که کاربردهای مختلف می تواند داشته باشد اما مهم ترین مزیت رادار توانایی آن در محاسبه مسافت می باشد در این فصل با توجه به اهمیت رادار پالسی و کاربرد گسترده آن به بحث پیرامون این سیستم پرداخته می شود و شاخص های مهمی که در معادله برد رادار وجود دارد و در رادارهای دیگر نیز به گونه ای این شاخص ها اهمیت دارند مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.

رادار یکی از مظاهر شگفت انگیز قرن بیستم است اصول اولیه آشکارسازی تقریبا قدمتی برار با قدمت بحث الکترو مغناطیسی دارد فارا و ماکسول در سال های 1860-1845 پی بردندن که جریان های متغیر با زمان باعث ایجاد میدان های الکترومغناطیسی متغیر با زمان در فضای آزاد می شوند همچنین میدان های متغیر با زمان جریان الکتریکی متغیر با زمان تولید می کند میدان الکترومغناطیسی به وجود آمده در فضای آزاد با سرعت نور یعنی  حرکت می کند

در سال 1886 هرتز به طور تجربی نظریه هیا ماکول را مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که امواج الکترومغناطیسی در برخورد اجسام منعکس و پراکنده می شوند که این مطالعه وی منجر بوجود آمدن ایده رادار شد جالب است بدانید آزمایش های هرتز در فرکانس های بالا طول موج 66 سانتی متر انجام شد ولی کارهای بعدی تا سال 1930 در فرکانس های پائین ادامه یافت تا آن که بعدا اهمیت استفاده از فرکانس های بالا روشن شد

به علت محدودیت در فناوری آن زمان در سال امواج آشکار سازی در فواصل بیش از یک مایل تا سال 1922 مطرح نبود تا اینکه در سال 1922 مارکونی ارتباط رادیویی بین قاره ها را طمرح نمود و عنوان کرد که امکان بوجود آمدن دستگاهی است که امواج را در جهات مختلف ارسال کند و پس از برخورد پرتوها به یک جسم فلزی نظیر کشتی توسط یک گیرنده این پرتوها دریافت شود که در نتیجه می توان در هوای ابری وجود کشتی را آشکار نمود اما وی در به دست آوردن بعضی از ایده هایش از جمله آشکار سازی جسم و انتشار امواج کوتاه در ورای خط دید ناموفق ماند.

در پاییز 1922 تیلور یانگ از آزمایشگاه تحقیقات دریایی (NRL) با استفاده از یک موج پیوسته (CW) با فرستنده و گیرنده مجزا وجود یک کشتی چوبی را آشکار نمودند بدین ترتیب می توان گفت که اولین سیستم های راداری آزمایشی به صورت موج پیوسته کار می کردند و نوع آشکار سازی آنها بستگی به تداخل ایجاد شده بین علائم مهم سیستم دریافت شده از فرستنده علائم انعکاسی ازهدف متحرک با متغیر فرکانس داپلر داشت

این اثر شبیه لرزش موزونی است که ممکن است در هنگام عبور هواپیما از بالای گیرنده بویژه ایستگاه های ضعیف رخ می دهد این نوع رادارها رادار اموا پیوسته تداخل موجی نیز می نامند البته این نوع رادارها فقط برای اشکار سازی وجود هدف مفید بودند و استخراج اطلاعات موقعیت هدف از آنها مقدور نبود لازم به ذکر است نمونه های رادار CW در آزمایشگاه NRL در همان سال ها در فرکانس 32 و 60 مگاهرتز ساخته شد.

با توجه به محدودیت های استخراج اطلاعات کافی موقعیت از رادارهای موج پیوسته پژوهشگران NRL اولین تجربه را به سال 1934 با رادار پالسی در فرکانس 6 مگا هرتز به دست آوردند و با انجام آژمایش های متعدد دریافتند که فرکانس های راداری بالا برای این کار مطلوب می باشد و با ساخت لامپ های پرقدرت باعث تکامل طراحی رادار پالسی در فرکانس 200 مگاهرتزی شدند.

پیشرفت های اولیه رادار پالسی در رابطه با کاربردهای نظامی بود و در بریتانیا توسعه رادار بعد از آمریکا شروع شد اما به خاطر اینکه پیشرفت فناوری رادار مصادف با جنگ جهانی دوم بود و برتانیا نزدیک تر به جبهه جنگ بود این کشور کوشش های فراوان و بیشتری راصرف توسعه رادار نمود توجه برتانیا به رادار از سال 1935 شروع شد وتا اوایل 1940 توسعه رادار در بریتانیا و آمریکا مستقلا انجام می شد. علاوه بر این دو رادار در آلمان، فرانسه، روسیه و ایتالیا و ژاپن نیز به طور مستقل در حلال 30 سال بعد مورد تحقیق و توسعه قرار گرفت لیکن حدود توسعه و کاربردهای نظامی آنها متفاوت بود.

1-2- اصول رادار:

تعریف: رادار سیستمی است که بر اساس خاصیت امواج الکترومغناطیس عمل می نماید و با ارسال امواج و دریافت سیگنال منعکس شده از هدف ، مشخصات و مختصات هدف را ارائه می دهد.

یک رادار ساده از چه قسمت هایی تشکیل شده است (بلوک دیاگرام یک رادار ساده):

شکل (1-1) بلوک دیاگرام یک رادار

مدولاتور تولید پالس 8µ sec می کند زیرا  1µ sec برای گرم شدن لامپ قبل از تولید سیگنال می باشد و 1µ sec جهت خروج کامل سیگنال از لامپ مگنترون می باشد.

Coho :  تولید کننده سیگنال مرجع می باشد حدوداً30 MHZ

Stalo:  تولید کننده سیگنال کریر می باشد حدود 1250 MHZ  -   1350 MHZ  

P.W: فاصله بین لبه ی بالا رودنده تا لبه پایین رونده ی پالس

-6- تقسیم بندی رادارها از نظر کاربرد:

1-

رادار تجسسی

Search radar

2-

رادار اخطار اولیه

Early warning radar

3-

رادارهای ارتفاع یاب

Hight finder radar

4-

رادارهای ردیاب

Tracker radar

5-

رادار کنترل آتش

Fire control radar

6-

رادار اجتناب از طوفات

7-

رادارهای نجومی

8-

رادارهای کنترل ترافیک

PRT

:

فاصله بین دو پالس

PRF

:

تعداد پالس در ثانیه

PW

:

فاصله شروع تا پایان پالس

جدول (1-1) تقسیم بندی انواع رادار

حداکثر فاصله بدون ابهام       Runamb = 0.15 × PRT (µ sec)

                                           Paverage = PP  × PW × PRF  

رادارهای تجسسی:

فرکانس پایین

PRF پایین

PRT بالا

عرض پالس متوسط (بیش از 6 µ sec )

برد       400 – 600 Km

آنتن بزرگ

قالبیت تحرک کم

عرض بیم پهن

باند فرکانسی  I  و S

رادارهای اخطار اولیه:

فرکانس پایین

عرض پالس زیاد

PRT  بالا و PRF پایین

قابلیت تفکیک کم

دقت اندازه گیری کم

برد زیاد

باند فرکانسی VHF ( کمتر از L )

1-7- نوع بیمFan beam

در این نوع راداها بیم هایش در افق باریک و در ارتفاع پهن ولی در رادارهای ارتفاع یاب در افق پهن و در ارتفاع باریک

1-8- تفاوت راداهای اخطار اولیه با راداهای تجسسی:

در راداهای اخطار اولیه فرکانس پایین تر از راداهای تجسسی است.

عرض پالس بیشتر این نوع رادارها نسبت به رادارهای تجسسی از دیگر تفاوت ها می باشد.

PRF رادارهای اخطار اولیه پایین تر از رادارهای تجسسی است.

شکل بیم به آنتن بستگی دارد و در آنتن نیز به توزیع جریان وابسته می باشد مثلاً در آنتن های پارابولیک (سهمی گون) توزیع جریان به صورت یک تابع sec یا   cosecمی باشد. برای به دست آوردن شکل بیم با به دست آوردن تابع توزیع جریان در سطح آنتن به دست می آید.

محاسبه عرض باند یک سیستم: فرکانس دوم را منهای فرکانس اول می کنیم

visibility:( قابلیت دید در کلاتر) توانایی کشف و آشکارسازی سیگنال اهداف متحرک آمیخته شده با سیگنال اهداف ثابت در یک سیستم MTI  که بر حسب db بیان می شود.

برای افزایش احتمال آشکارسازی اهداف کوچک می توانیم:

کنترل دور آنتن

افزایش PRF

افزایش حساسیت گیرنده

سرعت کور: اگر فرکانس داپلر هدف برابر مضربی صحیح از PRF باشد در آن سرعت خاص سرعت کور می گویند.

-9- PRF برابر PRF  رادار تجسسی (پالیین)

1-9-1 رادارهای سه بعدی:

فضا را به چند بیم تقسیم می کنند و هرچه تعداد بیم ها بیشتر باشد دقت رادار بیشتر است.

1-9-2 رادارهای تعقیب هدف: (Track radars)

باند فرکانسی X و بالاتر

نوع بیم pencil beam

دقت اندازه گیری مختصات هدف بالاست

این نوع رادارها به طور مداوم موقعیت نسبی هدف را در فاصله ، زاویه و ارتفاع مشخص می نماید. آنتن این نوع رادارها دارای بیم بادیک بوده و بر روی پایه متحرک قرار دارند و توسط موتوری در جهت افقی یا عمودی برای دنبال کردن هدف به کار می رود.

تغییر جهت هدف توسط تغییر زاویه یا فاز سیگنال برگشتی مشخص و باعث تغییر آنتن برای تمرکز بر روی هدف می شود.

کاربردهای این رادار کنترل اسلحه و تنظیم کردن مسیر موشک می باشد.

1-9-3- رادار کنترل آتش: (Fire control radars)

عملکرد این نوع راداها و مشخصانشان مانند رادار تعقیب هدف است. این رادارها نیز با تصحیح زاویه آنتن باعث می شودند تا آنتن بر روی هدف بماند و سلاح را به طرف هدف روانه می نماید.

در این نوع رادارها پردازش سیگنال بسیار سریع صورت می گیرد.

(محاسبه فرکانس داپلر و دقت اندازه گیری داپلر و مشخص کردن محدوده های داپلر)

در آنتن های آرایه فازی از فریت ها استفاده می شود که در آن ها زاویه تابش بیم را با کم و زیاد کردن جریان تغییر می دهند.

رادار کنترل ترافیک: باید دقت و رزولوشن آن ها بالا باشد.

1-10 باندهای فرکانسی؛

رادارهای متداول در باند فرکانسی 220mHz تا 35GHz کار می کنند.

رادارهای ماوراءِ افق ( oTh ) در باند فرکانسی 4 تا 5 مگاهرتز کار می کند.

1 – 2 GHz

L

2 – 4GHz

S

4 – 6 GHz

C

6 – 8 GHz

P

8 – 12.5 GHz

X

12.5 – 18 GHz

Ku

18 – 24 GHz

K

24 – 40 GHz

Ka

3-30 mHz باند فرکانسی        

HF

1-11- کاربرد طیف فرکانس راداری در رادارها مختلف؛

فرکانس های پایین تر از HF (کمتر از mHz ) : در طول موج های بلند بر اثر خاصیت جوی زمین و کرویت زمین ، موج عظیمی از انرژی ارسالی تا ماوراء افق رادار انتشار می یابد این امواج را امواج زمینی(ground wave) می نامند.

هرچه فرکانس پایین تر باشد تضعیف دامنه (Attenation)  کمتر خواهد بود.

مزیت این نوع انتشار این است که امواج اساساً انحنای کره زمین را دنبال می کنند ولی به علت نیاز به آنتن های بزرگ ( l= λ/2) برای پرتوهای آنتن های یک جهته (directive) سطح نویز سیگنال های برگشتی ناخواسته از عوامل زمین (clutter ) زیاد است طیف الکترومغناطیسی شلوغ در فرکانس های زیر HF این باند فرکانسی برای کاربردهای عمومی رادار مناسب نیستند.

انرژی تابش یافته از آنتن رادار از 2 مسیر به هدف می رسد یکی مسیر مستقیم از رادار به هدف و دیگری مسیر بازتاب یافته از سطح زمین و اکوی برگشتی نیز از 2 مسیر به گیرنده می رسد.

در محل رادار سیگنال برگشتی از مسیر مستقیم با سیگنال انعکاسی از مسیر انعکاسی دارای اختلاف فاز خواهند بود باین اختلاف فاز شامل 2 قسمت است یکی در اثر اختلاف فاصله و دیگری در اثر خاصیت انعکاسی سطح زمین.