ماهو الرادار ؟
الرادار هو نظام يستخدم موجات كهرومغناطيسية للتعرف على بعد وارتفاع واتجاه وسرعة الأجسام الثابتة والمتحركة، كالطائرات والسفن والعربات وحالة الطقس وشكل التضاريس.
يبعث جهاز الإرسال موجات لاسلكية تنعكس بواسطة الهدف فيتعرف عليها جهاز الاستقبال وتكون الموجات المرتدة إلى المستقبل ضعيفة، فيعمل جهاز الاستقبال على تضخيم تلك الموجات. مما يسهل على الكاشوف أن يميز الموجات المرسلة عن طريقه من الموجات الأخرى كالموجات الصوتية وموجات الضوء.
يُستخدم الكاشوف في مجالات عديدة كالأرصاد الجويّة لمعرفة موعد هطول الأمطار والمراقبة الجوية ومن قبل الشرطة لكشف السرعة الزائدة، وأخيراً والأهم استخدامه بالمجال العسكري.
تعريف آخر للرادار هو نظام إلكتروني يستخدم للكشف عن وجود الأجسام وتحديد مواقعها وقياس سرعتها باستخدام موجات الراديو. يتكون الرادار من مجموعة من الأجهزة والمكونات التي تعمل معًا لتحقيق الكشف والتتبع والقياسات المطلوبة.
الرادار تكنولوجيا تستخدم للكشف والتحسُّس عن طريق إرسال إشارات كهرومغناطيسية واستقبال الإشارات المرتدة. تم تطوير الرادار في أوائل القرن العشرين ولكنها تكنولوجيا متقدمة ومعقدة تستند على العديد من الاكتشافات العلمية والتقنيات المتقدمة.
لا يمكن تسنين اسم واحد كمخترع للرادار، وإنما تطورت التكنولوجيا مع مرور الوقت وعمل العديد من العلماء والمهندسين على تطويرها. ومع ذلك، يُعتبر الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز واحداً من العلماء. الذين ساهموا بشكل كبير في تطوير تقنية الرادار. في عام 1888، قام هيرتز بتوصيل جهاز يتكون من ملف ومكثف إلى مصدر تيار متردد لإثبات وجود الموجات الكهرومغناطيسية، والتي تشمل الموجات اللاسلكية التي يعتمد عليها الرادار.
منذ ذلك الحين، عمل العديد من العلماء والمهندسين على تحسين وتطوير تكنولوجيا الرادار، بما في ذلك العالم الأمريكي روبرت واتسون.
واتسون في عام 1935 الذي قام بتطوير أول نظام رادار قادر على الكشف عن الطائرات. كما قام العالمان البريطانيان روبرت واتسون-واتسون وأرنولد فريدريك ويلكز في عام 1935 بتطوير الرادار المستخدم في مجال الدفاع الجوي.
ومنذ ذلك الحين، استُخدمت تقنية الرادار في العديد من التطبيقات المختلفة، بما في ذلك مراقبة المرور الجوي والبحري والتنبؤ بالطقس والاستكشاف الجوي والعسكري والاستخدامات الأخرى.
يتكون النظام الأساسي للرادار من العناصر التالية:
- هوائي (المصدر والاستقبال): يستخدم الهوائي لإرسال إشارة الرادار واستقبال الإشارة المرتدة من الأجسام المكتشفة. يمكن أن يكون الهوائي عبارة عن قضيب أو قرص أو صحن، ويختلف حجمه وشكله اعتمادًا على تطبيق الرادار.
- مولد إشارة الرادار: يولد إشارة الرادار التي ترسلها الهوائي. يمكن أن يكون المولد عبارة عن جهاز إلكتروني يولد ترددات الراديو المطلوبة.
- مرحلة الاستقبال والمعالجة: تقوم هذه المرحلة بتحويل الإشارة المرتدة من الهوائي إلى إشارة كهربائية ومعالجتها لاستخراج المعلومات المطلوبة، مثل المسافة والسرعة والاتجاه.
- وحدة التحكم والعرض: تتحكم هذه الوحدة في عملية الرادار وتعرض البيانات المستخرجة على شاشة للقراءة والتحليل.
يعتمد عمل الرادار على مبدأ انعكاس الموجات الراديوية عن الأجسام، حيث يتم إرسال إشارة رادار نحو الهدف ويتم استقبال الإشارة المرتدة بعد أن تنعكس عن الهدف. بناءً على الوقت الذي يستغرقه الإشارة للذهاب والعودة، يمكن حساب المسافة إلى الهدف. كما يمكن استخدام تغيرات تردد الإشارة المرتدة لحساب سرعة الهدف.
تُستخدم تقنية الرادار في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك المراقبة الجوية، والملاحة البحرية، والأبحاث العلمية، والاستخبارات العسكرية، وقياس السرعة المرورية، والرصد الجوي والجوي، والاستكشاف الجيولوجي، والتنقيب عن الموارد الطبيعية، والعديد من التطبيقات الأخرى.
كيفية عمل الرادار
- إرسال الإشارة: يبدأ الرادار بإرسال نبضات من الإشارات الكهرومغناطيسية عبر هوائي خاص. تكون هذه الإشارات في نطاق التردد الراديوي.
- استقبال الإشارة المرتدة: عندما تصطدم الإشارات بأجسام في المسار، تعود بعضها إلى الرادار بعد أن تنعكس عن الأجسام. يتم استقبال هذه الإشارة المرتدة باستخدام نفس هوائي الإرسال.
- تحويل الإشارة إلى إشارة كهربائية: يتم تحويل الإشارة المرتدة إلى إشارة كهربائية باستخدام جهاز استقبال داخل الرادار.
- التحليل والمعالجة: تتم معالجة الإشارة الكهربائية المستقبلة لتحليلها واستخراج المعلومات المتعلقة بالأجسام المكتشفة، مثل المسافة والسرعة والاتجاه.
- عرض البيانات: تعرض البيانات المستخرجة على شاشة الرادار ليتم قراءتها وتفسيرها بواسطة المشغل أو الفني المسؤول عن النظام.
تستند عملية الرادار إلى مبدأ انعكاس الأمواج الكهرومغناطيسية عن الأجسام، حيث يتم استخدام الوقت الذي يستغرقه الإشارة في الذهاب والعودة لحساب المسافة، وتستخدم تغيرات تردد الإشارة المرتدة لحساب سرعة الأجسام.
تختلف تكنولوجيا الرادار وتطبيقاتها باختلاف الاحتياجات، فمن الممكن أن يتم استخدام الرادار في العديد من المجالات مثل المراقبة الجوية والملاحة البحرية والدفاع العسكري والأبحاث العلمية وغيرها.
يستخدم الرادار موجات الراديو بدلاً من الموجات الصوتية؛ بسبب قدرتها على الوصول إلى مسافاتٍ أبعد، وقدرتها على أداء عملها حتّى عندما تكون ضعيفة.
ولفهم طريقة عمل الرادار يمكن استخدام الرادار الكاشف عن الطائرات كمثال، حيث يقوم الرادار بتشغيل الجهاز الذي يُطلق موجات الراديو ذات التردد العالي لمدّة ميكروثانية. ثمّ يُغلق الجهاز الذي يبث الموجات، و يُشغّل الجهاز المستقبل للصدى المرتد، حيث يقوم بقياس الوقت المستغرق لوصول الصدى، إذا كانت. سرعة الرادار حوالي 1000 قدم ميكرو في الثانية فإنّه يمكن قياس المسافة نحو الطائرة بدقةٍ كبيرة، وفي حال وجود معداتٍ خاصة لضبط الإشارات فإنّه يمكن تحديد سرعتها بدقةٍ أيضاً.
كيف تعمل مستشعرات الرادار؟
مستشعرات الرادار تعمل عن طريق إرسال إشارات كهرومغناطيسية واستقبال الإشارات المرتدة. هناك عدة خطوات تشملها عملية عمل مستشعرات الرادار:
1 - إرسال الإشارة: يتم توليد إشارة كهرومغناطيسية عالية التردد، عادةً تكون في نطاق الموجات القصيرة أو الميكروويف. يتم تضمين هذه الإشارة في نبضات قصيرة ومرتفعة الطاقة.
2 - استقبال الإشارة المرتدة: يكشف المستشعر عن الإشارة المرتدة من الأهداف الموجودة في المنطقة المستهدفة. عندما تصطدم الإشارة بجسم، تعود بعض الطاقة المنعكسة إلى المستشعر.
3 - توقيت العودة: يتم قياس الوقت الذي يستغرقه الإشارة المنعكسة للعودة إلى المستشعر. عن طريق حساب الزمن بين إرسال الإشارة واستقبالها، يمكن تحديد المسافة بين المستشعر والهدف.
4 - تحليل الإشارة: يتم تحليل الإشارة المرتدة لاستخراج المعلومات الضرورية. يتم استخدام تقنيات مختلفة لتحليل الإشارة، مثل تحويل فوري للتردد (FFT) والتصفية الرقمية وإجراءات معالجة إشارات أخرى.
5 - تحويل البيانات: يتم تحويل المعلومات المستخرجة إلى بيانات قابلة للتحليل والتفسير. يمكن تصور البيانات على شاشة العرض أو تحويلها إلى صور ثلاثية الأبعاد أو تفسيرها بواسطة أنظمة الحاسوب.
باستخدام هذه العملية، يمكن لمستشعرات الرادار تحديد موقع الأهداف وتحديد سماتها المختلفة مثل المسافة والسرعة والحجم والاتجاه. تعتبر مستشعرات الرادار قابلة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك المراقبة الجوية والبحرية، والملاحة، والأبحاث العلمية، والدفاع العسكري، والتطبيقات الصناعية.
أنواع الرادارات
- الرادار البسيط: وهو ابسط أنواع الرادار، في هذا النظام يقوم المحول بإرسال إشارات كهربائية متقطعة بفاصل زمني معين، وفي هذه الفواصل يقوم باستقبال صدى الموجات المنعكسة من الأجسام. ومعظم هذه الرادارات يتحرك هوائيها دائرياً حول نفسه، وهي ممتازة لتحديد مكان الأجسام وليست دقيقة جدا في تحديد السرعة.
- الرادار المستمر: وهذا النوع يرسل الموجات باستمرار ودون انقطاع، وهي ممتازة في تحديد السرعة والاتجاه ولكن ليست دقيقة في تحديد المكان مثل الرادار البسيط، وبعض الأنظمة تقوم بضم النظامين معاً للتوصل إلى الحل الأمثل.
- رادار النظام المحلي: معظم الرادارات تحتوي على واحد هوائي كبير ولكن يستطيع أن يتم دورة حول نفسه كما جاء سابقاً، ولكن هذا الرادار يحتوي على عدد من الهوائيات الصغيرة كل منها يستطيع أن يدور حول نفسه دورة كاملة، فبعد تحديد اتجاه كل هوائي يقوم المستقبل باستقبال إشارات كل هوائي ثم جمعها جميعا لتكون كإشارة واحدة، ما يميز هذا النوع هو أنه لو كان لديك رادار نظام مرحلي كبير جدا تستطيع تغيير اتجاهه أسرع من أي رادار آخر.
- الرادار الفرعي: نظام الرادار الذي يرسل أشعة ثم يستقبل الصدى يسمى بالرادار الأساسي، وهناك نوع آخر يسمى الفرعي، يعمل مثل الأساسي لكن بالإضافة إلى أنه يقرأ موجات الرادار المشفرة، فيرسل موجات مشفرة للطائرة وهي عبارة عن أسئلة رقمية ويستقبل من الطائرة أجوبة خاصة مثل هوية الطائرة ومن أي دولة، وذلك لكي تتعرف الدفاعات الجوية عليها وتحدد إن كانت مسالمة أم عدائية، حركة المرور الجوي تعتمد بشكل أساسي على هذا النوع من الرادارات
عمل نظام بسيط لرصد إحداثيات موقع الأجسام عن طريق صناعة رادار رقمي بإستخدام جهاز مستشعر الموجات فوق الصوتية ومتصلة مع الأردوينو:
مكونات دارة الرادار
1- حساس الموجات فوق الصوتية لرصد إحداذيات موقع الأجسام.
2- محرك السرفو.
3- أردوينو اونو
فهنا نقوم بتوصيل الفولتية في حساس الموجات الفوق صوتية مع مصدر الجهد في الأردوينو 5 فولت والأرضي في حساس الموجات الفوق صوتية مع الأرضي في الأردوينو ونوصل تريك في. الحساس مع البين رقم 10 في الأردوينو والايجو أيضا في الحساس مع البين رقم 11 في الأردوينو.
نوصل السلك الأحمر في محرك السيرفو مع الجهد 5 فولت في الأردوينو والسلك الأسود أو البني في السيرفو مع الأرضي في الأردوينو والسلك الأصفر او البرتقاليفي محرك السرفو مع البين رقم 9 في الأردوينو.
نموذج الكود البرمجي لذلك الرادار بالأردوينو:
#include <Servo.h>.
const int trigPin = 10;
const int echoPin = 9;
long duration;
int distance;
Servo myServo; // Creates a servo object for controlling the servo motor
void setup() {
pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output
pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input
Serial.begin(9600);
myServo.attach(3);
}
void loop() {
// rotates the servo motor from 15 to 165 degrees
for(int i=15;i<=165;i++){
myServo.write(i);
delay(30);
distance = calculateDistance();// Calls a function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor for each degree
Serial.print(i); // Sends the current degree into the Serial Port
Serial.print(","); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing
Serial.print(distance); // Sends the distance value into the Serial Port
Serial.print("."); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing
}
// Repeats the previous lines from 165 to 15 degrees
for(int i=165;i>15;i--){
myServo.write(i);
delay(30);
distance = calculateDistance();
Serial.print(i);
Serial.print(",");
Serial.print(distance);
Serial.print(".");
}
}
// Function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor
int calculateDistance(){
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
// Sets the trigPin on HIGH state for 10 micro seconds
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance= duration*0.034/2;
return distance;
}