رادارهای هواشناسی
رادار ( RADAR ):
بی گمان شناخت و اندازه گیری درست و دقیق معلول داشتن ابزار دقیق خواهد بود و آنچه که امروز سیستم های پیشرفته ی اندازه گیری و در گونه ای ویژه رادارها را در پیش خوان نیازهای هواشناسی می نشاند همان کوشش برای هرچه بیشتر رسیدن به ابزار دقیقتر در راستای گــردآوری داده های درست تر است و سیستم هایی همچـون رادار را باید زاده ی همین ذهنیت با گستردگی بسی بیشتر و امکان شناسایی و ردیـابی مکانی و زمانی دانست . و اینک چکیده و کوتاه شناسنامه ی رادارها و بویژه رادارهای هـواشناسی را بگونه ای همادین در دو بخش، یکمین در بررسی سرگذشت رادار از آغاز تا کنون و دیگری درآشنایی با کاربردها و محصولات رادار باز میخوانیم .
تاریخچه رادار:
آنچه را که می توان در این راستاء جنبش نخستین بشمار آورد نظریه ی جیمز کلارک ماکسول است که بر پایه ی این نظریه امواج نورانی و امواج رادیویی(تابش یا تشعششع آنها)در بسیاری از ویژگی ها همانندند، تابش امواج رادیویی با همان تندی نور جابجا می شوند و در سمت امواج نورانی پس از برخورد با مانع بازگشت داده می شوند. پس از 15 سال هرتز دانشمند آلمانی با پذیرفتن اندیشه ی ماکسول ثابت کرد این امواج قابل تولیدند و امواج رادیویی با فرکانس بالا قابل برگشتند و با بکارگیری از دستگاه های ویژه که برای تمرکز اشعه ی نورانی بکار می روند میتوان امواج رادیویی را در یک نقطه متمرکز کرد و با کاوش درباره ی فرکانس و طول موج این امواج ثابت کرد تندی سیر امواج نورانی و رادیویی برابر است.
چند سال پس از این مارکونی با فرستادن امواج رادیویی به فواصل دور امواج برگشتی رادیویی را آشکار ساخته که پسین تر به پیدایش سیستم نویی بنام رادار انجامید و بدین ترتیب ثابت شد که با بکارگیری از امواج رادیویی می توان بودن اجسام در فواصل دور را شناسایی و فاصله و موقعیت آنها را نسبت به یک فرستنده ی مشخص ارزیابی کرد.
در سال 1925 نخستین تجربه ی کاربرد هواشناسی رادارهای اولیه انجام گرفت و مارکونی نشان داد که طبیعت و فاصله ی لایه های یونی اتمسفر که امواج رادیویی را بازگشت می دهند چگونه است. در این آزمایش یک پرتو فشرده اما پُرقدرت رادیویی را به جو فرستاده و زمان بازگشت سیگنال فرستاده شده را اندازه می گرفتند. به هر روی این ذهنیت و آزمایشها و یافته ها به ساخت سیستم کاملتر و جالبتر رادارهای امروزی انجامید.
بازنمود، چگونگی کارکرد و کاربردهای رادار:
اصطلاح کوتاه شده ی رادار( RADAR : Radio Detection And Ranging )به معنای ((آشکار سازی و اعلام رادیویی)) است و بیانگر یک دستگاه الکترونیکی است که با بهره گیری از ویژگی امواج الکترومغناطیسی و بازگشت آنها پس از برخورد با هدف امکان آشکار سازی بودن آنها را فراهم آورده و فاصله و جایگاه آنها را نسبت به یک نقطه نمایان اندازه گیری می کند و در رادارهای جدید افزون بر تعیین فاصله، سوی و بلندی نیز اندازه گیری می شود.
چون در رادار بجای امواج نورانی، امواج رادیویی بکار گرفته می شود در شب نیز قابل بهره برداری است و بدین گونه در محاسبه و تعیین جایگاه اجسام در فضا مهم نیست که زمان انجام روز باشد یا شب، هوا آفتابی باشد یا توفانی و جسم بر روی زمین باشد یا در هوا و یا در دریا. کاربردهای رادار را می توان در این گـــزینه ها برشمرد: هواشناسی، فضانوردی، کنترل تردد فرودگاه، دریانوردی، ردگیری موشک، تله سرعت، کنترل آتش توپخانه و اخطار سریع که این موارد روز به روز بیشتر شده و شاخه های نویی در دانش الکترونیک بوجود آورده است.
گونه های سیستم های راداری:
1) رادارهای اولیه: در این رادارها گیرنده ی دستگاه رادار سیگنال های کوچکی را که پس از برخورد با هدف بازگشته است آشکار می کند.
2) رادارهای ثانویه: در این رادارها سیگنال های دریافت شده سرراست از هدف برنگشته اند. در این گونه در خود هدف یک دستگاه رله قرار داده شده که فرستادن سیگنال از سوی فرستنده آنرا به واکنش وامیدارد و پس از آن هدف مورد نظر یکسری سیگنال مشخص می فرستد که بوسیله گیرنده ی اصلی در ایستگاه فرستنده دریافت می شود.
اما رادارها بر پایه ی روش پخش امواج الکترومغناطیسی در فضا دو گروه می شوند:
الف) سیستم های رادار با امواج پیوسته: در سیستم های راداری امواج پیوسته انرژی الکترومغناطیسی به گونه ی پیوسته و مداوم بوسیله ی آنتن جهت دار فرستاده می شود که بودن مانع مایه ی بازگشت بخشی از آن انرژی بسوی منبع انرژی می گردد. در این سیستم گیرنده نیز بطور مداوم بکار است و به دو آنتن جدا از هم نیاز دارد یکی برای فرستادن انرژی بطور پیوسته و مداوم و دیگری برای دریافت آن بخش از انرژی بازگشتی که بازیابی و جداسازی انرژی فرستاده شده و انرژی بازگشتی از مانع به دو گونه انجام می پذیرد:
1 – به کمک مدولاسیون فرکانس انرژی فرستاده شده،
2 – به کمک اندازه گیری تغییرات فرکانس انرژی بازگشتی، تغییرات ناشی از اثر داپلر حرکت نسبی هدف.
رادارهای با موج پیوسته هیچ آگاهی ای در مورد فاصله نمی دهند تنها سوی جایگاه(موقعیت)، بلندی هدف و تندی(سرعت)جسم را نشان می دهند.
ب ) سیستم های پالسی:
در رادارهای پالسی در زمان بسیار کوتاهی یک پالس انرژی الکترومغناطیسی پُر توان پخش شده و در بازه ی بین فرستادن هر پالس با پالس پسین(بعدی) گیرنده می تواند انرژی بازگشتی از سوی هدف را دریافت کند که به گونه ی زیر امکان پذیر است:
1) وجود سیستم برای گردآوری مقدار زیادی انرژی در مدت زمان کوتاه(در حد چند میکرو ثانیه)و بکار بستن آنها در زمان بسیار کوتاه(باز هم در حد چند میکرو ثانیه).
2) تبدیل انرژی گردآوری شده به انرژی الکترومغناطیسی(رادیو فرکانسی)بوسیله مگنترون یا کلایسترون.
در رادارهای پالسی امواج رادیویی فرستاده شده به گونه ی یک پرتو باریکی از آنتن پخش می شوند و چون تندی پخش امواج رادیویی پیداست می توان دوری(فاصله) تا هدف را بدست آورد.
دوگانگی رادارهای پالسی با رادارهای امواج پیوسته در چگونگی اندازه گیری زمان است که در رادارهای امواج پیوسته یک کنش نامستقیم است(از راه دوگانگی فرکانس) ولی در رادارهای پالسی یک کنش مستقیم است که:
1) گره ی سخت اندازه گیری زمان های بسیار کوچک را با بکار بستن لامپهای اشعه کاتدیک واگشاده اند.
2) مساّله ی تکنیکی هم زمان کردن(سینکرو کردن)آغاز پخش پالس و اندازه گیری زمان استکه این همزمانی بوسیله تریگر( Trigger )ژنراتور انجام میگیرد .
3) داشتن آنتن دوگانه که با قرار دادن سیستم دوپلکسر(Duplexer)بر روی آن می توان از یک آنتن برای فرستادن و دریافت کردن امواج بکارگیری نمود بدینگونه که در زمان فرستادن دوپلکسر فرستنده را به آنتن وصل و گیرنده را جدا می سازد که بدین روش گیرنده ی حساس از پالس های قوی فرستنده در امان مانده و در زمان دریافت کنشی بازگونه دارد.
ساختار عمومی سخت افزار رادار پالسی:
1) فرستنده( TX ): سیگنال تولیدی را با شرایط فرستادن فراهم میکند که از گونه ی کلایسترون است.
2) گیرنده( RX ): دارای دو بخش است: بخش آنالوگ( ARX )و بخش دیجیتال( DRX )که پردازش های اصلی در این بخش است و در واقع برونشد اساسی از این بخش است و بخش مهم دیگر RCP است که فرماندهنده و فرمان گیرنده همه ی سیستم است.
3) گردایه ی آنتن( Antenna ): که دربردارنده ی: دیـــش، موتورها، پوشش آنتن( Radom )که باید شرایط ویـــــژه برای گذراندن امـواج را داشته باشد. بخش( ACU )یا کنتــــرل کننده ی آنتن مانند:(جایگاه آنتن ، سرعت آنتن ، موتورها و ...).
4) LCU: کامپیوتر محلی سیستم است که کار دگرشدن(تغییر)و آزمایش همه ی پارمترهای سخت افزاری سیستم را انجام می دهد و نیز داده ها را بگونه ی ( Information –Alarm – Error – Ok )نمایش می دهد .
رادارهای هواشناسی داپلری را بر اساس طول موج(یا باند فرکانسی)و با کاربرد و برتری های ویژه و جدا از هم به چند دسته ی زیر برمی شمرند:
باند L: فرکانس این باند1-2 GHz و طول موج آن 15-30 cm می باشد و کاربرد اصلی آن برای بررسی تلاطم هوای صاف است.
باند S: فرکانس این باند2-4 GHz و طول موج آن 8-15 cm است که به سبب طول موج و فرکانس این باند تضعیف آنها کم می باشد. از این رو برای دیدن چگونگی هوا در فواصل نزدیک و دور بسیار سودمند است و برای مناطق حاره که قطر ذرات بارش بزرگ است بکار میآید. آنتن بزرگ(قطر حدود 8 متر)و توان تابشی بالا( 750 kw )از دیگر ویژگی های این رادار است.
باند C: فرکانس و طول موج این رادار4-8 GHz و 4-8 cm می باشد. در این رادار اندازه ی آنتن خیلی بزرگ نیست، سیگنال بسادگی تضعیف می شود که از این رو برای فواصل کوتاه کاربرد دارد، به دلیل آنتن نسبتاً کوچک امکان ساخت سیستم قابل حرکت وجود دارد و همچنین پهنای بیم آن به سبب کوچکی آنتن کوچک میشود و از این رو درجه جداپذیری مکانی و نیز بهره ی آنتن آن بالاست. توان فرستادن آن حدود(250 kw )و کاربرد این رادار برای مناطق معتدله است که بیشترین رادارهای هواشناسی از این گونه اند.
باند X: فرکانس و طول موج این رادار 8-12 GHz و 2.5-4 cm می باشد. به سبب طول موج کوچکتر حساسیت آن بیشتر و می تواند ذرات کوچکتر را آشکار کند از این رو برای مطالعه فیزیک ابر، گسترش ابر و نیز بارش های سبک مانند برف بکار میرود که در زمینه ی بارورسازی ابرها کارآیی ویژه ای دارد. سیگنال رادار باند X بسادگی تضعیف می شود و برای دیدن چگونگی هوا در فواصل بسیار کوتاه کاربرد بهتر دارد و برای تشخیص تلاطم و دیگر پدیده های هواشناسی درخورند . بیشتر هواپیماهای بزرگ نیز به این گونه رادار مجهزند.
باند K: فرکانس و طول موج این رادار12-18 GHz یا 27-40 GHz و 1.7-2.5 cm یا 0.75-1.2 cm می باشد که ویژگی و کاربردی همانند رادارهای باند X دارد ولی با حساسیت بیشتر.
از این چند گونه، رادارهای باند C و S بیشترین جای را در دل هــواشناسی پیدا کرده اند. سیگنال های تولید شده در این رادارها توسط موجبرها بر روی آنتن می روند زیرا برای فرکانس بیش از 1MHz موجبرها به دلیل تلفات کمتر بهتر از کابل های انتقال سیگنال می باشند. در رادارهای هواشناسی گیرنده باید دارای حساسیت بسیار بالایی باشد تا بتواند توان کم بازگشتی از هدفهای دور در حد10-11mwرا دریافت کند. در رادارهای پالسی و داپـلری چون تندی را اندازه میگیرند بین ذرات دوگانگی نمی دانند و لی رادارهای Dual Polarization توانایی تشخیص ذرات(جامد یا مایع)را دارند.
اینک پرسش اینجاست که هواشناسی از این سیستم برتر چه درمییابد؟ چرا که هواشناس میخواهد بر طبل و دُهل داعیه داری رادار در ضرب آهنگ دقت و اندازه گیری نغمه ی خود را بخواند. به دیگر سخن از این همه کاشت داشت و برداشت چیست؟
آن است که از سیگنال های بازگشتی(بازگشتی از شدت چگالش پدیده)پس از تبدیل به توان پایین و به سیگنال های الکتریکی، داده های خام: Z شدت بازگشتی با یکای[dBz]،تVتندی میانگین بسته ی هوا با یکای[m/s]،تWتندی تربولانس با یکای [m/s] و D بازگشتی های گوناگون با یکــای [dB] پردازش می شود که داده ی D برای رادارهای با ساختار پولاریزاسیون است و از این داده ها نیز محصولات و اسکن های حجمی دلخواه در نرم افزار Rainbow بیرون می آید که مقصود پایانی رادار را بدست می دهد و اینکه این محصولات چه هستند و از آنها چه می توان دریافت؟
در بخش دوم به آن خواهیم پرداخت. برای رادارهای هواشناسی ما دو نرم افزار بنام های Ravis و Rainbow طراحی شده که Ravis کنترل بخش های سخت افزاری رادار را انجام می دهد و در Rainbow بازنمود اسکن ها، نمایش همه محصولات، ذخیره سازی آنها و نسخه برداری از محصولات در زمان بندی دلخواه و مورد نیاز و دیگر بهره برداری همانند ممکن می باشد . . .