ساخت رادار فرستنده و گیرنده (رادار زمین شناسی)

سلام دوستان امروز جایی مطلبی خوندم از گروهی کاوش گر روسی که با سیستم رادار زمینشناسی منطقه ای در مصر تا عمق 20 متر کاوش میکرد! بر این شدم تا اطلاعاتی جمع آوری کنم تا ما هم بتونیم همچین چیزی بسازیم!
در جستجو اولیه در نت به مداری با سانسور التراسونیک بر خوردم!
لطفا کسانی که اطلاعات دارن و تجربه دارن راهنمایی بفرمایند
با تشکر

رادار زمین شناسی
در جریان کار های حفاری در شهر نووگورود کبیر روسیه بقایای یک کلیسای منحصربفرد ساخته شده در سال 1336 میلادی بنام ورود به بیت المقدس کشف شد. قطعات این کلیسا در بخش شمالی کرملین نووگورود کبیر و در نزدیکی کلیسای جامع سوفیسکی ـ قدیمی ترین معبد مسیحیان ارتدکس در روسیه قرار دارد.

در جریان کار های حفاری در شهر نووگورود کبیر روسیه بقایای یک کلیسای منحصربفرد ساخته شده در سال 1336 میلادی بنام ورود به بیت المقدس کشف شد. قطعات این کلیسا در بخش شمالی کرملین نووگورود کبیر و در نزدیکی کلیسای جامع سوفیسکی ـ قدیمی ترین معبد مسیحیان ارتدکس در روسیه قرار دارد.
کلیسای ورود به بیت المقدس تا اواسط قرن 18 میلادی در کرملین نووگورود کبیر قرار داشت و کلیسای بسیار بزرگی به طول حدود 30 متر بود . سرگئی ترایانسکی ـ نامزد علوم تاریخی و رئیس مرکز تحقیقات باستان شناسی می گوید قطعات پیدا شده تابلوهای نقاشی احتمالاً متعلق به ایسای گرچین ـ نقاش یونانی تبار هستند. طبق متون تاریخی روس قدیم این معبد توسط گروه استادان به رهبری گرچین در سالهای 1337 و 1338 میلادی نقاشی شده است.ترایانسکی گفت باستان شناسان می خواهند در آینده محل کشف کلیسا را سنگفرش کرده و در آنجا صلیب قرار دهند. تا به حال چنین پروژه هایی در شهر نووگورود کبیر اجرا نشده بود.


رادار زمین شناسی که توسط فیزیک دانان روسیه برای آشکارگری زیر خاک ساخته شده به باستان شناسان بطور ثمر بخش کمک کرده و آنها را از حفر زمین در اراضی پهناور خلاص می کند. این نکته بویژه در مصر نکته مبرمی است چون فصل کارهای حفاری کوتاه بوده و برای این کارها وجود کارگران زیادی طلب می شود. پاول ماروزوف ـ کارمند علمی ارشد انیسیتوی مغناطیس زمین، یونوسفر و پخش امواج رادیویی ـ وابسته به آکادمی علوم روسیه اعلام کرد معاینه اولیه محل حفاری های آینده با رادار زمین شناسی امکان می دهد بدون کندن زیاد زمین ،حداقل میزان حفاری بطور دقیق تعیین شود.
ماروزوف می گوید رادار زمین شناسی ما امواج بسیار قوی کوتاهی را به زیر زمین فرستاده و از طریق علامت انعکاس یافته آثار و اشیای باستانی واقع در عمق تا 20 متری را بدون حفاری پیدا می کند. قدرت آن 10 هزار بار بیشتر از دستگاه باز گرفت روسی و خارجی است.این امر امکان می دهد در هر خاکی از جمله خاک های بسیار مرطوب بدون وجود هیچگونه محدودیتی کار شود.
اولین استفاده از دستگاه تازه در حفاری های واقع در بخش شرقی فلات گیزا که اکیپ مرکز مصر شناسی بنام گولنیشف ـ وابسته به دانشگاه دولتی علوم انسانی روسیه در آنجا کار کرد، سطح بسیار بالای ثمربخشی کار دستگاه تازه را نشان داد. با کمک رادار زمین شناسی در پیدا کردن مقبره ای توفیق حاصل شد که 150 سال قبل توسط لپسیوس ـ باستان شناس آلمانی تشریح شده و سپس گم شده بود.


دانشمندان مرکز تحقیقات علمی درباره صنعت ماهیگیری در اقیانوس آرام روش احیای جلبک های موسوم به کلم دریایی را طرح ریزی کرده اند .
این روش امکان می دهد در عرض مدت کوتاهی این جلبک پر ارزش در شرایط طبیعی احیا و گسترش پیدا کند. این فناوری بیولوژیک بر اساس روش های پرورش ماهی و اصلاح زمین استوار شده است. یلنا یرخووا ـ منشی مطبوعاتی مرکز فوق الذکر گفت این فناوری امکان می دهد نه فقط بسرعت و و بدون مخارج زیاد محصول زیاد کلم دریایی بدست آید بلکه برای خارپشت دریایی ـ دیگر آبزی پرارزش محیط طبیعی زندگی ایجاد شود.

رادار چگونه ابداع شد؟

شواهد حاکی است که سیستمی مثل رادار احتمالا در یکی از روزهای سال ۱۸۷۳‏ باید کشف شده باشد و این در شرایطی بود که جیمز کلارک ماکسول نظریه ای ارائه کرد که بر طبق آن امواج نورانی و امواج دریایی (که او در ابتدا آنها را تشعشع نامیده بود) در بسیاری از مشخصه ها مشابه هم هستند. او در یکی از قسمتهای نظریه اش پیش بینی کرده بود که تشعشع یا امواج رادیویی احتمالا با همان سرعت نور جابجا می شوند و ضمنا امواج رادیویی درست مانند امواج نورانی پس از برخورد به مانع، منعکس می شوند.




۱۹ ‏سال بعد هرتز گفته های ماکسول را تایید کرده و ثابت کرد که این امواج قابل تولید هستند. وی با کوشش های فراوانی که کرد و با تجهیزات ابتدایی که داشت توانست امواج رادیویی را فقط در حدود چند فوت جابجا کند ولی در هر صورت ثابت کرد که امواج رادیویی با فرکانس بالا قابل انعکاس هستند. تحقیقات او همچنین ثابت کرد که سرعت سیر امواج رادیویی و نورانی با هم برابرند.

چند سال بعد ، مارکونی آزمایش های زیادی انجام داد تا توانست امواج رادیویی را به فواصل دور انتقال دهد . کمی بعد خود وی اعلام کرد که امواج منعکس شده رادیویی را که ناشی از برخورد آنها با اجسامی که در فاصله چندین مایل دورتر قرار دارند آشکار ساخته است و نظریاتی را اعلام کرد که بعدا منجر به ابداع سیستم جدیدی به نام رادار گردید. به این ترتیب ثابت شد که با استفاده از امواج رادیویی بشر قادر است حضور اجسام را در فواصل دور شناسایی کرده و فواصل و موقعیت آ نها را نسبت به یک فرستنده مشخص ارزیابی کند.

از سال ۱۹۳۰ ‏به بعد که آلمان شروع به تسلیح مجدد خود نمود کشورهای اروپایی که خود را در معرض حمله مجدد آلمان می دیدند به فکر ساختن سیستمی شدند که هواپیماهای آنان را از گزند بمب افکن های آلمان در امان بدارد.

در ۱۹۳۹ رابرت واتسون وات با نصب پنج ایستگاه رادیویی مختلف در پنج منطقه مختلف امکان محافظت کشورش را در برابر حملات دشمن فراهم نمود. عملکرد این سیستم آنقدر جالب بود که چند سال بعد فرانسه هم لزوم نصب چنین سیستمی را احساس کرده و اقدام به ساخت و نصب آن نمود.

‏به تدریج این وسیله ساده جای خود را به سیستم های کامل تری داد. به این ترتیب که سیستمی که ابتدا در بریتانیا بعنوان Radio Detection Finding ‏نام گذاری شده بود بعدها در امریکا با نام رادیوی جهت دار یا رادار که ترکیبی از حروف اول کلمات عبارت آشکار سازی و اعلام رادیویی است خوانده شد.

چگونگی عملکرد رادارها
اصول کار کلیه سیستم های رادار از جهت فرستنده و گیرنده یکسان است و تنها نوع موج ارسالی آنهاست که رادارها را از هم متمایز می کند. فرستنده رادار امواج خود را به سمت آنتن ارسال می کند که در بین مسیر از یک سری کولاتور عبور می کند.سیگنال فرستنده که با توان بالایی ارسال شده است، توسط هدف منعکس و یا دوباره از راه همان آنتن و یا آنتن گیرنده دیگر دریافت می شود.

در اولین مرحله سیگنال منعکس شده آشکار شده با سیگنال ارسالی فرستنده مقایسه می شود و پس از فی*لتر شدن (جهت کاهش نویز)، تقویت و پردازش سیگنال ، اطلاعات خروجی و وضعیت هدف توسط نمایشگر نمایش داده می شود.

محدوده ی فرکانسی رادار می تواند در باندهای مختلف فرکانسی باشد. نوع کاربرد رادار در انتخاب باند فرکانسی آن موثر است. بعنوان مثال می توان برای دیده بانی و مراقبت برد زیاد از UHF , VHF‏ (به دلیل خواص انتشاری مناسب) استفاده نمود.

کاربرد های غیرنظامی
به برخی از کاربردهای غیر نظامی رادار که در جهت صلح و آرامش و راحتی زندگی انسان استفاده می شود بطور اختصار اشاره می شود:
کنترل ترافیک هوایی
کنترل ترافیک و اعلام وضعیت هوایی در اطراف فرودگاهها و در برخی از هواپیما های پیشرفته در یاری رساندن به خلبان هنگام فرود و در وضعیت بد آب و هوایی که دید کافی وجود ندارد.

ناوبری هوایی و دریایی
جهت نشان دادن موقعیت ، سرعت ، مسافت طی شده و مسیر یابی در هر لحظه.

جلوگیری از تصادف کشتی ها
استفاده از یک رادار کوچک با برد محدود در جلوی کشتی جهت شناسایی موانع مقابل کشتی.

فضایی
سنجش از دور و شناسایی اجرام و کرات آسمانی.‏

کنترل سرعت
کنترل سرعت خودروها در بزرگراه ها توسط پلیس.

کنترل خط تولید
کنترل خط تولید و سرعت بهره برداری از خطوط

هواشناسی
پیش بینی وضعیت آب و هوای مناطق مختلف با استفاده از جهت وزش باد و سایر عوامل موثر

زمین شناسی
بررسی و شناسایی وضعیت اقیانوس ها ، دریاها ، منابع زیرزمینی ، معادن و آتشفشانها

کشاورزی
محاسبه میزان اراضی زیر کشت و برآورد محصولات مختلف کشاورزی. با توجه به آنکه محصولات مختلف کشاورزی دارای خواص الکترومغناطیسی (انعکاس امواج) متفاوتی است.

کاربرد های نظامی
کاربردهای نظامی رادار دارای طیف و انواع گسترده ای است که در این جا به چهار نمونه از این کاربردها اشاره می شود.
دیده بانی Early Warning مراقبت و تعیین مشخصات هدف
با توجه به نوع کاربرد ، باند فرکانسی این رادارها و مشخصات آنها متفاوت است.

ناوبری نظامی Navigation
‏هدایت هواپیما در حین پرواز و هنگام فرود و صعود و تعیین ارتفاع و سرعت هواپیمای نظامی.

کنترل و هدایت آتش Fire Control System
‏کنترل و هدایت آتش که بنا به چگونگی بهره برداری هوا به هوا - زمین به هوا - زمین به دریا و هوا به زیر دریا متفاوت می باشد. (در این مورد از رادارهای تک پالسی استفاده می شود)

ردیاب Track
مشخص کردن مسیر و مقصد اهداف متحرک مانند هواپیما یا موشک های بالستیک. برد رادارهای فوق بسیار بیشتر از رادارهای کنترل و هدایت آتش است ولی از نظر اصول کار شبیه یکدیگرند.

وحید جان جالب بود خیلی ممنون

سپاسگذاریم زحمت کشیدین

سلام خواهش می کنم!
آقای کاوشگر از حمایت دوستانتان دریغ نکنید!
آقا مجتبی از حسن نظر شما سپاسگزارم!
و البته از اساتید الکترونیک تقاضای کمک دارم! هر چه باشه!
قرار شده یک نمونه از این دستگاه بدستم برسه فقط خدا بکنه که بشه!
در نت اطلاعاتی از یک نوع سانسور دیدم که با اون میشه با امواج مایکروسافت ویو فلز را تشخیص داد! فردا آپ می کنم! تا اساتید نظر بدن

رادار نفوذ کننده زميني (GROUND PENETRATING RADAR ) تاريخچه
رادار وسيله ايست که از امواج راديويي براي تشخيص وجود و يا عدم وجود و همينطور تعيين مکان يک شي استفاده مي نمايد . واژه رادار از عبارت Radio detection and ranging در سال 1934 استخراج گرديده است که دو مفهوم تشخيص و مکان يابي درآن لحاظ گرديده است . اولين سري رادار هاي نفوذکننده زميني در سال 1929 در Austria براي مطالعات ژرفاسنجي يخچال ها مورد استفاده قرار گرفت . (Stern, 1929, 1930) اين فن آوري براي سالهاي زيادي به فراموشي سپرده شد تا آنکه دراواخر سال 1950 رادارهاي نيروي هوايي آمريکا در تلاشي براي تعيين ارتفاع يخي که هواپيمايي قصد نشستن بر روي آن را در گرينلند داشت قرائتي اشتباه از ارتفاع يخ ارائه داده و موجب برخورد هواپيما با يخ و صدمه ديدن هواپيما گرديدند . اين موضوع شروعي براي تحقيقات در مورد توانايي هاي رادار در مشاهده لايه هاي زير سطحي نه تنها لايه هاي يخ بلکه براي به نقشه درآوردن مشخصات لايه هاي خاک زير سطحي و سطح آب زير زميني بود . (Cook, 1964; Barringer, 1965; Lundien, 1966)
در سال 1967 سامانه اي مانند آنچه که Stern در گذشته ايجاد نموده بود طراحي گرديد و در نهايت به عنوان تجربه اي براي مشخص نمودن خواص الکتريکي سطحي بوسيله فضاپيماي آپولو به ماه فرستاده شد (Simmons et al., 1972, see also the Apollo 17 Lunar Sounder Experiment) .
در ابتداي سالهاي 1970 اگر شما قصد استفاده از GPR را داشتيد مي بايست آن را خود مي ساختيد. (Ohio State University Electroscience Laboratory) اما در سال 1972 ، Rex Morey به همراهي Art Drake شرکت Geophysical Survey Systems را تاسيس نموده و شروع به فروش سامانه هاي رادار به شکل تجاري نمودند (Morey, 1974) و به يکباره سيلي از کاربردها ، انتشارات و تحقيقات در اين زمينه به سرپرستي سازمان زمين شناسي کانادا و همينطور سازمان CRREL (U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory) و ديگران گسترش يافت .
هم اکنون بيش از 300 امتياز نامه علمي در ارتباط با رادار نفوذ کننده زميني در سراسر جهان تهيه شده است (Patent Office) و تعدادي از شرکتها اقدام به تهيه انواع تجاري اين نوع رادار نموده و بسياري ارائه دهنده سرويس هاي آن شده و بسياري ديگر از موسسات مشغول تحقيقات دراين زمينه مي باشند . رادار نفوذ کننده زميني (GPR ) با نام هاي ديگري مانند رادار زميني ، رادار کاوش گر زميني و يا رادار سطحي نيز ناميده مي گردد. امواج راديويي بخشي از طيف الکترومغناطيس مي باشند و در محيط خلا با سرعت نور حرکت مي نمايند . سامانه هاي توليد امواج رادار شامل توليد کننده سيگنال رادار -آنتن گسيل دهنده اي که امواج راديويي را توليد مي کند - آنتن گيرنده که بخش گيرنده مجهز به يک چاپگر به عنوان ابزار تهيه خروجي مي باشد . فرستنده، سيگنال راديويي ارسال مي دارد و گيرنده بخش کوچکي از انرژي بازتابش شده را دريافت مي دارد . ازآنجا که امواج رادار با سرعت نور حرکت مي نمايند ، زمان طي شده توسط امواج رادار بسيار کوتاه مي باشد به عنوان مثال زمان براي بازتابش موج از شي اي که در نيم متري قرار دارد برابر است با :

خیلی ممنون وحید جان.
البته من فکر میکنم بحث این رادار زمین شناسی جدیدی که در روسیه استفاده شده چیزی فراتر از توضیحات دیگر شما باشه که در خصوص دستگاههای متعارف GPR صدق میکنه. در سیستم جی پی آر معمولا فرکانسی بین 50 مگاهرتز تا 1 گیگا هرتز استفاده میشه که بسته به عدد فرکانسی بین 1 متر تا حداکثر 20 متر نفوذ در خاک بدست میاد. بالاترین فرکانس کمترین نفوذ رو داره و در عوض دقت تصویری فوق العاده ای بدست میده و پایین ترین فرکانسها عمق نفوذ بالایی داره در حالیکه دقت تصویری بسیار پایین تری خواهد داشت و فقط برای اهداف بسیار بزرگ در عمق بالا مناسب خواهد بود.
از نظر ساختاری هم اصولا این امواج حالت رادیویی دارن و فرکانس بالا محسوب میشن و روش کار هم استفاده از آنتنهای خاص فرستنده و گیرنده رادیویی هست که بلحاظ اینکه باید امواج کاملا بصورت جهت دار ارسال و دریافت بشه ؛ یکی از مشکلات اساسی در ساخت این سیستمها همین آنتنشون هست. در واقع با آنتنهای معمولی رادیویی نمیشه به نتیجه رسید.
از طرف دیگه کار کردن با فرکانسهای بالا اون هم با محاسبات دقیق جهت تصویر برداری کاری نیست که توسط قطعات پیش پا افتاده قابل انجام باشه و مثلا توسط میکرو کنترلر معمولی هیچ کار یا تحلیلی روی امواج نمیشه داشت چرا که بالا بودن فرکانسها نیاز به سیستم دیجیتالی بسیار پر سرعت با پردازشگر گیگاهرتزی داره! از نظر آزمایشگاهی هم اگر کسی بخواد خودش روی پروژه GPR کار بکنه باید حداقل یک اسیلوسکوپ 1 گیگاهرتزی در اختیار داشته باشه تا بتونه روی امواج تحلیلی انجام بده و میدونین که قیمت چنین اسکوپی هم سر به فلک میزنه! این مطالب رو عرض کردم تا به دوستان یاد آوری کنم که ساخت پروژه GPR در توان 99.99 درصد افراد وارد به الکترونیک هم نیست و لذا هیچ مدار یا طرح عملی قابل ساختی از این سیستمها در نت پیدا نمیکنین. هر چند که اصول کلی کار مشخص هست!
وحید جان فرمول هایی هم که شما گذاشتین درست نیست و اصولا فرمولهای فیزیک رو به این صورت نمینویسن و بنظر میاد نویسنده فقط خواسته یک مطلب علمی و قانون فیزیک رو بصورت رفع تکلیفی بیان کنه! سرعت صوت که یک موج مکانیکی هست 330 متر در هر ثانیه در هواست و این اصلا ربطی به سیستم جی پی آر نداره و از امواج صوتی و حتی مافوق صوتی در خاک اصلا نمیشه استفاده کرد چون نفوذی ندارن. فقط از سیستم مافوق صوت در آب میشه استفاده کرد که سیستمهای سونار زیردریایی ازش بعنوان نوعی رادار استفاده میکنن. طبیعتا محاسبه در آب هم با هوا فرق میکنه چون سرعت صوت بعنوان یک موج مکانیکی در آب با هوا تفاوت زیادی داره!
سرعت نور یا سایر امواج الکترومغناطیس در محیط آزاد یا خلا 3 ضربدر 10 به توان 8 متر در هر ثانیه هست که این مقدار در خاک به میزان خیلی کمی افت میکنه و شاید بشه از این میزان بخصوص در عمق کم صرفنظر کرد! میزان مسافت طی شده هم طبق ساده ترین فرمول فیزیک بصورت حاصلضرب زمان در سرعت بدست میاد. فرمولی که نوشتین نه تنها برعکسه بلکه اصلا غلط هم هست! اصولا در این جور سیستمها ما مسافت رو نداریم! سیستم زمان رفت و برگشت موج رو محاسبه میکنه و سپس در سرعت امواج که عددش رو عرض کردم ضرب میکنه تا مسافت تا شیء احتمالی محاسبه بشه. طبیعتا چون سیستم بصورت گیرنده و فرستنده هست و امواج یک مسیر رفت و یک مسیر برگشت دارن باید یک عملیات تقسیم بر 2 هم انجام بشه و حتی برای دقت بیشتر زاویه و فاصله بین آنتن فرستنده و گیرنده هم در نظر گرفته بشه!!! کلا گفتنش سادست اما دقتی که بخصوص با توجه به بالا بودن فرکانس مورد نیازه فراتر از اون چیزی هست که با هر مدار معمولی بشه بهش دست پیدا کرد.

سلام حمید جان!
خیلی ممنون بازم مثل همیشه با توضیحات ارزندتون ما رو بفیض رسوندی!
حمید جان آیا میشه با سنسور التروسونیک تقریبا به همچین عملی مانندgpr و با بازپخش صوتی تشخیص فلز در خاک را انجام داد!
با سپاس

خواهش میکنم وحید جان.
نه دیگه اشاره دقیق کردم امواج صوتی یا مافوق صوت که همون اولتراسونیک هست برای نفوذ در خاک حتی در حد سانتی متری هم جواب نمیدن! به همین دلیل از این سنسورها معمولا برای تشخیص مانع و فاصله سنجی استفاده میشه و امواج در برخورد با اولین مانع سخت منعکس میشن.