هواشناسان برای شناسایی طوفانها، تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده می‏برند. شما حتی نوعی خاص از رادار را در مدخل ورودی فروشگاهها می‏بینید که در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز می‏کنند. بطور واضح می‏بینید که رادار وسیله‏ای بسیار کاربردی می‏باشد. در این بخش از مقالات ما به اسرار رادار می‏پردازیم.

استفاده از رادار عموماً در راستای سه هدف زیر می‏باشد:

شناسایی حضور یا عدم حضور یک جسم در فاصله‏ای مشخص – عمدتاً آنچه که شناسایی می‏شود متحرک است و مانند هواپیما، اما رادار قادر به شناسایی حضور اجسام که مثلاً در زیرزمین نیز مدفون شده‏اند، می‏باشد. در بعضی از موارد حتی رادار می‏تواند ماهیت آنچه را که می‏یابد مشخص کند، مثلاً نوع هواپیمایی که شناسایی می‏کند.

شناسایی سرعت آن جسم- دقیقاً همان هدفی که پلیس از آن در بزرگراه‌ها برای کنترل سرعت خودروها از آن استفاده می‏کند.

جابه‌جایی اجسام – شاتل‏های فضایی و ماهواره‏های دوار بر دور کره زمین از چیزی به عنوان رادار حفره‏های مجازی برای تهیه نقشه جزئیات، نقشه‏های عوارض جغرافیایی سطح ماه و دیگر سیارات استفاده می‏کنند.

تمام این سه عملیات می‏تواند با دو پدیده‏ای که شما در زندگی روزمره با آن آشنائید پیاده شود: «پژواک» و «پدیده داپلر» این دو پدیده به سادگی قابل فهم می‏باشند، چرا که هر روزه شما با آنها در حوزه شنوایی خویش برخوردارید. رادار از این دو پدیده در حوزة امواج رادیویی استفاده می‏برد.

بگذارید ابتدا با این پدیده در حوزه شنیداری یا صوتی خویش بیشتر آشنا شویم.

پژواک و پدیده داپلر

پژواک پدیده‏ای است که شما هر روزه با آن برخورد دارید، اگر شما به داخل یک چاه و یا در یک دره فریاد بزنید، پژواک صدای شما چند لحظه بعد به گوشتان می‏رسد. در واقع شما صدایتان را باز خواهید شنید. پژواک بدین جهت رخ می‏دهد که بعضی از امواج صدای شما (به این دلیل واژه بعضی را آوردیم که صدای برخی از حیوانات مانند اردک در فرکانس خاص امواج صدای این حیوان هیچگاه پژواکی ندارد) پس از برخورد به یک سطح (که این سطح می‏تواند سطح آب، انتهای چاه یا دیوارة کوه موجود در انتهای دره باشد) به سمت شما باز می‏گردد و گوش شما دوباره آنرا می‏شنود. فاصله زمانی‌ای که بین فریاد شما تا شنیدن پژواک آن طول می‏کشد با فاصله مکانی بین شما و آن سطح بازگردانندة پژواک ارتباط دارد.

هنگامی که شما به داخل یک چاه فریاد می‏کشید، صدای شما از دهانة چاه به سمت انتهای چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهای چاه منعکس می‏شود. در این حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقیق بدانید، با اندازه‏گیری زمان رفت‏وبرگشت صدا می‏توانید عمق چاه را حساب کنید.

پدیدة داپلر نیز بسیار معمول است. شما هر روز (بدون اینکه حتی از آن درکی داشته باشید) آن را تجربه می‏کنید. این پدیده زمانی رخ می‏دهد که یک مولد امواج صوتی و یا منعکس کننده امواج صوتی دارای حرکت باشد. مثلاً یک خودرو که در حال بوق زدن است. حالت تشدید شدة پدیدة داپلر در شکستن «دیوار صوتی» رخ می‏دهد. در این جا به درک این پدیده می‏پردازیم (ممکن است شما برای اینکه بهتر این پدیده را درک کنید کنار یک اتوبان آن را تجربه کنید) فرض کنید که خودرویی با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حرکت باشد. تا زمانی‌که خودرو در حال نزدیک شدن به شماست فقط یک نت صوتی را می‏شنوید (در واقع یک فرکانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فرکانس صحبت کردیم)، اما هنگامی که خودرو به کنار شما می‏رسد صدای بوق ناگهان تغییر کرده و به عبارتی «بم» تر می‏شود و بعد از لحظه‏ای که از شما عبور کرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بم‏تر نیز می‏شود، در صورتی که شما می‏دانید که صدای بوق همیشه ثابت است، کما اینکه راننده داخل خودرو در تمام مدت بوق زدن فقط نت واقعی بوق را می‏شنود. این تغییرات صوت شنیده شده توسط شما بوسیلة پدیدة داپلر قابل توضیح است. اما آنچه که رخ می‏دهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای ساده‏تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را 1000کیلومتر در ساعت در نظر بگیرید. (سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض کنید که خودرویی در فاصله یک کیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیر متحرک). راننده داخل خودرو به مدت یک دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با 1000کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت می‏کند، بعد از 6 ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این 6 ثانیه در واقع مدت زمانی است که طول می‏کشد صدا به شما برسد) و به مدت یک دقیقه پس از آن چه می‏شنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.

پدیده داپلر: شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فرکانس) پایین‏تر و بم‏تر از آنچه که راننده داخل خودرو و در حال حرکت می‏شنود. راننده از شخصی که خودرو به سمت آن در حال حرکت است صدا را با نت پایین‏تر می‏شنود.

حال فرض کنید خودرو از فاصله‏ای دور با سرعتی معادل 100 کیلومتر بر ساعت به سمت شما حرکت کند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و به مدت همان یک دقیقه شستی بوق را فشارمی‌دهد می‏شود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت 54 ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حرکت خودرو رخ داده است.

در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان کوتاه‏تری به سمت شما آمده و از آنجائی‌که تعریف فرکانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را 1 بر 60 ثانیه تقسیم ‏کردیم و فرکانس F1 بدست می‏آمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر 54 تقسیم کنیم که مطمئناً عددی بزرگتر خواهد شد. این عدد بزرگتر یا فرکانس بالاتر یعنی صدای «زیر»تر. همین توجیه نیز برای خودرویی که از شما وجود دارد، در این حالت شما 64 ثانیه صدای بوق را می‏شنوید که فرکانس حاصله در این حالت کمتر (یا صدای بم‏تر) خواهد بود.

شکستن دیوار صوتی

اینک که ما در حال بحث بر روی رابط صدا و سرعت هستیم می‏توانیم در مورد شکستن دیوار صوتی هم صحبت کنیم. فرض کنید آن خودرویی که صحبتش بود با سرعتی معادل 100 کیلومتر در ساعت به‌ سوی شما، آن هم در حال بوق زدن، حرکت کند، امواج صوتی چون سرعتی معادل همان سرعت خودرو را دارند، لذا نه از آن جلو زده و نه عقب می‏مانند، لذا در کل مدت حرکت خودرو شما صدایی را نخواهید شنید. اما در لحظه‏ای که خودرو به شما می‏رسد، تمام امواج صوتی جمع شده و یکجا شما آنها را می‏شنوید. صدای بسیار بلند و با فرکانس بسیار بالا.

این صدا توسط هواپیمایی که قادرند با سرعتی معادل با سرعت صوت حرکت کنند می‏تواند موجبات وحشت بسیاری از افرادی که در زیر مسیر این هواپیما قرار دارند بوجود آورده قدرت این صدا به قدری است که می‏تواند شیشه‏ها را بشکند.

چنین اتفاقی برای قایقها نیز رخ می‏دهد. منتهی در این میان تجمع امواج آب که سرعتی در حدود سرعت این قایقها دارند. این موج متمرکز بصورت V شکل از جلو قایق به طرفین حرکت می‏کند که زاویه این موج توسط سرعت قایق کنترل می‏شود. در واقع تجمع امواجی که قایق در هر لحظه تولید می‏کند و هر لحظه بر آن می‏افزاید نیز توسط پدیده داپلر قابل توضیح است.

شما می‏توانید با استفاده از ترکیبی از پژواک و پدیده داپلر بصورتی که در زیر می‏آید استفاده کنید. در محلی که ایستاده‏اید به سمت خودرویی که در حال حرکت (به سمت شما یا در خلاف جهت) اصواتی را بفرستید. بعضی از این اصوات پس از برخورد با خودرو به سمت شما باز می‏گردند. (پژواک) از آنجایی که خودرو در حال حرکت است لذا اصوات منعکس شده یا به هم فشرده می‏شوند (در حالی که خودرو به سمت شما می‏آید) و یا از هم باز می‏شوند. در حالت حرکت مخالف در هر دو صورت شما می‏توانید با مقایسه موج فرستاده شده و بازگشته سرعت خودرو را بدست آورید.

مفهوم رادار:

دیدیم که می‏توان با استفاده از مفهوم پژواک به فاصله اجسام دور پی برد و همین طور با استفاده از تغییر پدیده داپلر به سرعت این جسم پی ببریم. با توجه به این مفاهیم می‏توان فهمید که رادار صوتی چیست؟ این گونه رادار در زیردریایی‏ها و کشتی‏ها کاربرد دارد و همیشه در حال کار است. می‏توان از رادار صوتی در محیط آزاد نیز استفاده کرد، اما بخاطر چند اشکال ریز این گونه رادار در هوا استفاده نمی‏شود.

- صدا در هوا مسافت زیادی را نمی‏تواند بپیماید…. شاید در حدود 5/1 کیلومتر و یا کمی بیشتر

- هرکسی می‏تواند صدا را بشنود لذا استفاده از صدا در محیط آزاد موجب آزار دیگران می‏شود که البته می‏توان با بالا بردن فرکانس صدای مورد استفاده و استفاده از امواج «فراصوت» این مشکل را حل کرد.

- صدای منعکس شده حاصل از پدیده پژواک بسیار ضعیف می‏باشد به طوری که دریافت آن بسیار سخت است.

سمت چپ: آنتن های مجموعه مخابراتی فضایی گلدستون (بخشی از شبکه ارتباطی فضایی ناسا) که به ارتباطات مخابراتی رادیویی فضاپیماهای میان سیاره‏ای ناسا کمک می‏کند.

سمت راست: رادار جست وجوی سطح و هوا که بر روی نوک دکل یک موشک هدایت شونده قرار گرفته است.

حال بیایید در مورد یک نمونه واقعی راداری که برای شناسایی هواپیماهای در حال پرواز بکار می‏رود صحبت کنیم. سیستم رادار در ابتدا با روشن کردن فرستنده قوی‏اش 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 مترصد 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.

آنتن رادار یک دسته کوچک اما قدرتمند پالس امواج رادیویی از یک فرکانس مشخص را در فضا می‏فرستند. هنگامی که امواج به یک جسم برخورد می‏کنند منعکس شده و در اثر پدیده داپلر فشرده‏تر یا گسسته‏تر می‏شوند. همان آنتن وظیفه دریافت امواج منعکس شده را که البته بسیار کمتر از امواج ارسالی هستند بر عهده دارد.

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

اختراع شارژر بی‌سیم تلفن همراه توسط یک جوان ایرانی

یک مخترع جوان ایرانی با ساخت نخستین شارژر بی‌سیم تلفن همراه از دستیابی به تکنیک انتقال بی‌سیم برق برای نخستین بار در جهان خبر داد که به گفته وی می‌تواند امکان استفاده از وسایل الکترونیکی را بدون نیاز به سیم فراهم کند.

رام «سونی - اریکسون» جهت واگذاری سیستم ابداعی شارژر بی‌سیم تلفن‌های همراه طی قراردادی چندین میلیون کرونی است، در گفت‌وگو با ایسنا، اظهار داشت: ایده انتقال برق به صورت موج از سال‌ها پیش مورد توجه دانشمندان و محققان کشورهای پیشرفته از جمله ژاپن قرار داشته که در عمل موفق به تحقق آن نشده بودند، در این طرح برای اولین بار سیستمی شارژری ساخته شده که می‌تواند برق مورد نیاز برای شارژ تلفن‌های همراه را به صورت بی‌سیم به آنها منتقل کند.
وی با اشاره به ثبت بین‌المللی اختراع خود در خارج کشور در توضیح مشخصات ین علیپور که در حال حاضر مشغول مذاکره با شرکت سوئدیسیستم ساخته شده، گفت: سیستم شارژر بی‌سیم شامل یک دستگاه پایه به ابعاد 9*4*3 سانتی‌متر است که به برق شهر وصل شده و برق را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل و منتشر می‌کند. جزء دیگر این سیستم یک دستگاه کوچک است که در تلفن همراه نصب شده و در نقش گیرنده امواج و مبدل آن به برق جهت استفاده در تلفن همراه عمل می‌کند.
علی پور درباره هزینه ساخت این سیستم گفت: هزینه تمام شده ساخت هر دو دستگاه مجموعا حدود 25 هزار تومان است که البته در صورت رسیدن به تولید انبوه قیمت ان تا حدود 10 تا 15 هزار تومان کاهش می‌یابد.
وی درباره برد سیستم شارژر بی‌سیم گفت: از لحاظ برد محدودیتی برای سیستم وجود ندارد ولی به دلیل محدودیت‌های فرکانسی در ایران برد دستگاه ساخته شده در حدود 100 متر تنظیم شده است که هر تعداد دستگاه تلفن‌های همراه که در این فاصله قرار گیرند در صورت مجهز بودن به دستگاه گیرنده - که ابعادی به اندازه یک بند انگشت داشته و به سهولت و بدون تغییر در شکل ظاهری تلفن همراه بر روی آن قابل نصب است - به صورت خودکار شارژ می‌شوند.
علیپور تصریح کرد: سیستم طراحی شده بر روی انواع تلفن‌های همراه قابل نصب است و حتی می‌توان شارژر پایه را که به برق وصل است در اماکن عمومی نظیر فروشگاه‌ها، ایستگاه‌های مترو و.... نصب کرد تا همه تلفن‌های همراه وجود در آن محدوده بدون هر گونه محدودیت در نوع و تعداد آنها شارژ شوند.
وی که مدعی ابداع نخستین سیستم انتقال برق از طریق امواج است درباره زیان‌های احتمالی این سیستم به ایسنا گفت: طول موج انتقال برق در این سیستم نزدیک به امواج تلفن همراه است که عمده بررسی‌های متعدد دانشمندان حاکی از بی‌ضرر بودن این امواج برای انسان است.
این مخترع 27 ساله که دانش‌آموخته رشته برق (الکتروتکنیک) دانشگاه آزاد اسلامی است، در ادامه در تبیین نحوه طرز کار سیستم تبدیل برق به موج در شارژر ابداعی گفت: دستگاه مادر که به برق شهر وصل می‌شود ولتاژ برق را از 220 ولت به 6/3 ولت کاهش داده و پس از عبور از فیلترهای خاصی آن را تبدیل به موج کرده و روی یک باند فرکانسی خاصی ارسال می‌کند. در مقابل سیستم گیرنده تعبیه شده در تلفن همراه امواج ارسالی را دریافت کرده و آن را به برق تبدیل می‌کند.
علیپور درباره چشم انداز آینده انتقال برق از طریق امواج گفت: با به کارگیری این سیستم می‌توان برق مورد نیاز انواع وسایل برقی از جمله رایانه‌ها، تلویزیون‌ها و سایر سیستم‌های صوتی و تصویری را که در یک ساختمان وجود دارند از طریق یک دستگاه شارژر مادر تامین کرد بدون این که نیاز به اتصال مستقیم آنها به سیستم برق ساختمان باشد.
وی در پایان با اذعان به این که انتقال برق با ولتاژهای بالا از طریق این سیستم خطر ساز بوده و باعث اختلال در انتقال امواج نیز می‌شود، تصریح کرد: این مساله مشکلی در به کارگیری سیستم در وسایلی که با ولتاژ بالا کار می‌کنند ایجاد نمی‌کند چون می‌توان دستگاه‌های ویژه‌ای در محل گیرنده آنها نصب کرد که ولتاژ برق دریافتی از طریق امواج را به میزان قابل استفاده توسط انواع دستگاه‌ها تنظیم کنند.

سیستم های مخابرات فیبر نوری

گسترش ارتباطات و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از پر اهمیت ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت دقت و تسهیل از مهمترین ویژگی های مخابرات فیبر نوری می باشد. یکی از پر اهمیت ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری آسانی انتقال در فرستادن سیگنال های حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمانی را دارا می باشد. این به این معنی است که مخابرات دیجیتال تامین کننده پتانسیل کافی برای استفاده از امکانات مخابره اطلاعات در پکیجهای کوچک انتقال در حوزه زمانی است.برای مثال عملکرد مخابرات فیبر نوری با توانایی 20 مگا هرتز با داشتن پهنای باد 20 کیلو هرتز دارای گنجایش اطلاعاتی 0.1% می باشد.
امروزه انتقال سیگنالها به وسیله امواج نوری به همراه تکنیکهای وابسته به انتقال شهرت و آوازه سیستم های انتقال ماهوارهای را به شدت مورد تهدید قرار داده است. دیر زمانی ست که این مطلب که نور می تواند برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد به اثبات رسیده است و بشر امروزه توانسته است که از سرعت فوق العاده آن به بهترین وجه استفاده کند.
در سال 1880 میلادی الکساندر گراهام بل 4 سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن گردید. در 15 سال اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور بسیار قدرتمند و خطوط انتقال فیبر های نوری فاکتور های جدیدی از تکنولوژی و تجارت بهتر را برای انسان به ارمغان آورده است.
مخابرات فیبر نوری ابتدا به عنوان یک مخابرات از راه دور قرار دادی تلقی می شد که در آن امواج نوری به عنوان حامل یک یا چند واسطه انتقال استفاده می شد. با وجود آنکه امواج نوری حامل سیگنالهای آنالوگ بودند اما سیگنالهای نوری همچنان به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال بدون تغییر باقی مانده است. از دلایل این امر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1)تکنیکهای مخابرات در سیستم های جدید مورد استفاده قرار می گرفت
2)سیستم های جدید با بالاترین تلنولوژی برای داشتن بیشترین گنجایش کارآمدی سرعت و دقت طراحی شده بود.
3)انتقال به کمک خطوط نوری امکان استفاده از تکنیکهای دیجیتال را فراهم می ساخت. این مطلب نیاز انسان را به دسترسی به مخابره اطلاعات رابه صورت بیت به بیت پاسخگو بود
* توانایی پردازش اطلاعات در حجم وسیع: از آنجایی که مخابرات فیبر نوری دارای کارایی بالاتری نسبت به سیمهای مسی سنتی هستند بشر امروزی تمایل چندانی برای پیروی از سنت دیرینه خود ندارد و توانایی پردازش حجم وسیعی از اطلاعات در مخابره فیبر نوری او را مجذوب و شیفته خود ساخته است
*آزادی از نویز های الکتریکی:بافت یک فیبر نوری از جنس پلاستیک یا شییشه به دلیل رسانندگی انتخاب می شود.در نتیجه یک حامل موج نوری میتواند از پتانسیل موثر میدانهای الکتریکی در امان باشد. از قابلیت های مهم این نوع مخابرات می توان به امکان عبور کابل حامل موج نوری از میان یک میدان الکترومغناطیسی قوی اشاره کرد که سیگنالهای نام برده بدون آلودگی از پارازیت های الکتریکی و یا سیگنالهای مداخله گر به حد اکثر کارایی خود خواهند رسید.