بررسی و ساخت سیستم رادار داپلری برای سنجش نزدیک

بررسی و ساخت سیستم رادار داپلری برای سنجش نزدیک

چکیده

ساختن اغلب سیستمهای رادار داپلری گرانقیمت بوده و همچنین بیرون آوردن و جابجا کردن آن برای انجام آزمایشات مشکل خواهد بود. بنابراین یکی از کارهایی که در سالهای اخیر انجام شده است و جزو مزیت های این گونه رادارها محسوب میگردد ساخت سیستمهای راداری با قابلیت حمل بوده است. در این تحقیق ما به بررسی دو نوع سیستم رادار داپلری خواهیم پرداخت که در محدوده فرکانسی مختلف از یکدیگر کار میکنند محدوده فرکانسی یکی از این رادارها ۲۴ گیگاهرتز و دیگری ۲٫۴ گیگاهرتز میباشد همچنین با استفاده از این دو رادار به بررسی و سنجش نزدیک خواهیم پرداخت و در نهایت یک مقایسه کلی از نحوه کارکرد هر دو رادار اراعه خواهیم داد.یکی از این ر رادارها بر اساس چیپ های all-in-one از بیم RF مایکروویو است و دیگری بر اساس اجزای مدارها یا Mini-Circuits میباشد . کیت راداربا استفاده از ساختاریک موج پیوسته مدوله فرکانس (FMCW)  توسعه داده شده است. میخواهیم با استفاده از تکنولوژی رادار به سنجش نزدیک بپردازیم.

این رادار با سه حالت مختلف کار میکند:

۱-تست حساسیت زمانی داپلر(DTI)

۲-حساسیت زمان-فاصله (RTI)

همچنین کل کار این سیستم را میتوان توسط نرم افزار متلب ثبت کرد.نمودارهای حساسیت زمانی داپلر (DTI) نسبت به طیف داپلرمربوط به وسایل عبوری و نمودار حساسیت زمان-فاصله (Range-Time Intensity) نسبت به اهداف در حال حرکت حرکت نسبت به زمان مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

۱-       فصل اول

مقدمه

مقدمه

در این فصل ما به معرفی مختصرو مفیدی از پایان نامه خواهیم پرداخت هم چنین به پیشینه پژوهشهای صورت گرفته در سیستمهای رادار داپلری خواهیم پرداخت و هدف و مقصود ما از این کار مورد بحث قرار خواهد گرفت. همچنین در این فصل به بررسی و توضیح روشها و فرآیندها برای انجام مقایسه سیستمهای رادار داپلری ذکر خواهد شد.

رادار های داپلر بر اساس امواج التراسونیک کار میکنند که در ادامه به توضیح مختصری در موذد این امواج پرداخته میشود.

پیشینه تحقیقات

برای اولین بار از سیستمهای رادار داپلری که با موفقیت انجام گرفت در سال ۱۹۶۰ میلادی بود در همان سالها نیز علت اصلی استفاده و روی آوردن به استفاده از سیستم رادار داپلری سخت افزارهای سنگین و غیر قابل حمل رادارهای عادی بود بنابراین برای ساخت راداری با قابلیت حمل اولین بار در همین سال بود که استفاده از سیستم رادار داپلری شروع شد. همچنین دلایلی دیگری در این امر دخیل بودند دلایلی همچون، استفاده کمتر از توان برق که این عمل و کم مصرف کردن توان مورد استفاده از رادارها میتوان گفت که محدودهی کاربرد این نوع سیستمهای راداری را افزایش داد. بعد از آن بود که سیستمهای رادار داپلری به صورت وسیعی مورد استفاده قرار گرفت . صنایع استفاده کننده این نوع رادارها را میتوان ناوبری ها و فضا پیماها نام برد. برای مثال رادار سبز ساتن Green Satin radar))  که در برق انگلیسی کامبرا مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از این سیستم باعث میشد تا یک آنتن تک با استفاده از انتقال و ضبط اطلاعات در زمان با استفاده از یک پالس با نرخ تکرار کم انجام گیرد واین یکی از مزایای این سیستمها میباشد. [۱] رادار داپلر یک نمونه از رادار خاصی میباشد که این سیستم با استفاده از  تئوری اثر دوپلر برای اندازه گیری سرعت و فاصله اشیا در مکان های گوناگون  اندازه گیری میکند. [۲] این بدین معناست که هنگامی که ما یک سیگنال را به سمت هدفی ارسال میکنیم و به تجزیه و تحلیل تغییرات فرکانس در سیگنال برگشتی میپردازیم و با نتایج این تجزیه و تحلیل که در سیگنال برگشتی به دست ما میرسد میتوانیم حرکت و یا میزان سرعت یک شی را بدست آوریم.پس میتوان نتیجه گرفت که اساس کار سیستمها تغییرات ایجاد شده در فرکانس برگشتی میباشد. این تغییرات سرعت یک جسم را به ما نشان میدهد. با این حال این رادارهای معمولی هم دارای محدودیتهای مربوط به خود میباشد این محدودیتها شامل محدودیت در برنامه های کاربردی میشود. به عنوان مثال زمانی که یک رادار در حال انجام تست سرعت، فاصله، آب و هواشناسی  میباشد باید رادار در حال حساسیت پایدار بماند یا به نحوی در حال انجام این وظایف نیاز به نگهداری بالاتری برای ماندن در حساسیت پایدار میباشد.. در این مورد نیاز به ساختن راداری آسان و قابل حمل با هزینه ساخت کم متوجه ما میشود.

هدف از انجام کار

از آنجا که ساختن بسیاری از رادارها نیاز به هزینه های زیادی دارد میتوان یکی از هدف ها یا به عبارتی بزرگترین هدف ما از اجرای این تحقیق را پایین آوردن هزینه ها عنوان کرد به عبارتی دیگر میتوان گفت که میخواهیم یه سیستم رادار داپلری با هزینه کم بسازیم یکی از این رادار ها در محدوده ی فرکانسی ۲۴ گیگاهرتز و دیگردی در محدوده ۲٫۴ گیگاهرتز کار میکنند. یکی از این رادار ها بر روی تراشه چیپ های all-in-one از بیم RF مایکروویو بوده  رادار دیگر بر اساس اجزای مدارها یا Mini-Circuits میباشد. عمدتا میتوان کار ما را بررسی و یا مقایسه بین این دو سیستم راداری دانست این سیستم رادار برای سنجش نزدیک با استفاده از Bench-marking و سنجش فاصله و تصویر برداری رادار روزنه مجازی مورد مقیسه قرار میگیرند.

کیت این رادار ها از نوع S-band FMCW بوده و محدوده ی فرکانسی آن ۲٫۴ گیگاهرتز میباشد که حداکثر قدرت مورد استفاده برای ارسال سیگنال از آنتن در آن نیز ۲۰mW میباشد. آنتنهای این زوری طراحی و ساخته شده است که میتواند بر روی یک تکه تخته چوبی  20cm*15cmنصب گردد. زنجیره سیگنال آنالوگ بر روب یک تخته با لحیم کاری کم solder-less board برای اجرای سریع و  آسان قرار گرفته است. خروجی ویدیو و پورت انتقال در سمت چپ و راست کانال ورودی صوتی  کامپیوتر برای دیجیتالی کردن سیستم رادار قرار گرفته اند. این رادار با ۸ باتری کار میکند و سایز باتری های مورد استفاده در رادار AA   میباشد.

این رادار را ما با داده های تجربی تجزیه و تحلیل میکنم.

مراحل انجام پایان نامه در یک نگاه

 آشنایی با موضوع پایان نامه

بررسی پژوهش های پیشین

مطالعه بر روی موضوع

تایید کاربردی و تست سرعت

اجرای دو سیستم رادار داپلر

گزارش نهایی و ارسال گزارش

فصل دوم

تئوری رادار

مقدمه

مختری درباره نظریه رادارها که مربوط به کار ما بود در فصل اول توضیح داده شد . همچنین در این فصل به رادارهای تصویر مجازی و سیستمهای رادار داپلری خواهیم پرداخت

در این بخش به تئوری های موجود در زمینه رادار خواهیم پرداخت و این فصل با اصول رادار های معمولی شروع خواهیم کرد و سپس بعد از طزح تئوری های این نوع رادار به بحث در مورد رادار داپلری خواهیم پرداخت و برخی از این نطریه ها را معرفی خواهیم کرد.

اصول رادار

ابتدا باید به طرح کلی و معنای اصلی کلمه رادار بپردازیم . رادار در انگلیسی مخفف کلمه های “radio detection and ranging.” میباشد آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است  .همچنین تعاریف دیگری از رادار را میتوان اراعه داد مثلا موقعیت رادیویی با استفاده از ارتباطات رادیویی ک با استفاده از همین ارتباطات میتوان برای هر هدفی و جسمی یک موقعیت فضایی ترسیم کرد و آن موقعیت فضایی را با استفاده از تغییرات ایجاد شده در فرکانس برگشتی بدست آورد. 

همچنین طبق تعریف دیگر میتوان گفت که معمول ترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام می دهد رادار می باشد .به طور کلی می توان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد . سنسورها سیگنال های مایکرویو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سیگنال های بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی می کند . قدرت (میزان انرژی) سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد . با اندازه گیری فاصه زمانی بین ارسال ودریافت سیگنال ها می توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزایای شاخص رادار می توان به عملکرد رادار در شب یا روز وهمچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد . امواج مایکرویو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران می باشند . از آنجاییکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیف های مرئی ومادون قرمز کار می کنند متفاوت است لذا می توان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد . 

رادار داپلر با استفاده امواج التراسونیک کار میکنند در ادامه توضیح مختصری در مورد این امواج و نحوهی اندازه گیری فاصله با این امواج گفته میشود.

اندازه گیری فاصله توسط امواج التراسونیک

شکل۲-۱( متر خیاطی(

شاید اولین سوالی که از خودتان بپرسید این باشد که التراسونیک به چه معناست؟ این کلمه متشکل از دو واژه sound به معنای “صدا” و ultra به معنای “فرا” میباشد. که ترکیب این دو واژه، فراصوت معنی میشود.

خوب حاال باید متوجه شده باشید که اولتراسونیک در ترجمه ی لغوی به چه معناست. حال باید بدانید که ما میخواهیم از امواج التراسونیک برای اندازه گیری فواصل استفاده کنیم. مثال بدانیم که فاصله ما از دیوار مقابل چقدر است. یا این که بدانیم ارتفاع سقف خانه خودمان چقدر است؟ در هر دو موردی که ذکر شد ما از خط کش و متر استفاده نمیکنیم؟ ما از امواج التراسونیکی استفاده میکنیم که نه دیده میشوند و نه شنیده. شاید از خودتان بپرسید که چرا از امواج صوتی استفاده نمیکنیم؟ خوب پاسخ واضح است. چون هدف ما اندازه گیری فاصله است و نیازی به آلودگی صوتی نداریم. به خاطر همین میرویم سراغ امواج فراصوت که در محدوده شنوایی انسان نیستند. شاید باز یک سوال دیگر برایتان مطرح شود.که چرا از امواج فروصوت استفاده نمیکنیم؟ سوال خوبی است. چون امواج فروصوت هم در محدوده شنوایی انسان نیستند و آلودگی صوتی ایجاد نمیکنند. اما تا آن جایی که من میدانم امواج فروصوت سیستم عصبی بدن رو تحریک میکنند. خالصه برایتان بگویم که امواج فروصوت اعصابتان را بهم میریزند و ممکنه عوارض بدتری هم در پی داشته باشند. البته من که پزشک نیستم. ممکنه این قسمت نوشتههایم بعدا نقض شود. به هر حال هر چی اطالعات تو ذهنم دارم را سعی میکنم منتقل کنم.

شکل(۲-۲) خفاش ها با چشمان خود نمیبینند

تا کنون با خودتان فکر کردهاید که خفاشها چگونه موانع پیش روی خودشان را تشخیص میدهند در حالی که مثل ما بینایی ندارند؟ درسته! آنها هم از التراسونیک استفاده میکنند. خفاش ها مدام در حال پرواز، امواج التراسونیک میفرستند و بازتاب آن را دریافت میکنند و با توجه به زمان رفت و برگشت هر موج و همچنین دانستن سرعت صوت در هوا میتوانند فاصله ی مانع تا خودشان را تشخیص دهند.

شکل۲ -۳( موج فرستاده شده و بازتاب آن(

اولین تجربه در مورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتز آلمانی در سال ۱۸۸۶ بدست آمد . پس از گذشت مدت زمان کمی اولین رادار که از آن برای آشکارسازی کشتی ها استفاده می شد مورد بهره برداری قرار گرفت . در سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ پیشرفت هایی در جهت ساخت رادار با قابلیت تعیین فاصله اهداف صورت گرفت . اولین رادارهای تصویری درطی جنگ جهانی دوم برای آشکارسازی وموقعیت یابی کشتی ها وهواپیماها استفاده شد . بعد از جنگ جهانی دوم راداربا دید جانبی (SLAR) جهت جستجوی اهداف نظامی و کشف مناطق نظامی ساخته شد . اینگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسیر پرواز قادر به تفکیک دقیقتر اهداف مورد نظر بودند . در سال ۱۹۵۰ با توسعه سیستم های SLAR تکنولوژی رادار دهانه ترکیبی ( رادار با آنتن ترکیبی) گامی در جهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شد . در سال ۱۹۶۰ استفاده از رادارها ی هوایی وفضایی توسعه یافت وعلاوه برکاربرد نظامی جهت نقشه برداری های جغرافیایی و اکتشافات علمی و… نیز مورد استفاده قرار میگرفتند.

Capture

شکل ۲-۴ بلوک ساده شده سیستم ارتباطات رادیویی [۳]

برخی از نویسندگان و یا محققان در زمینه رادار نحوه عملکرد رادار را مانند بالا بیان کرده اند. رادیو یک سیستم ارتباطی میباشد که معمولا مانند شکل یک کار میکند یعنی ما در این شکل میتوانیم نحوه ی عملکرد رادیو را در یک نگاه اجمالی و به راحتی درک کنیم . در بخش انتقال که شامل یک پایگاه باند یا base-band و یک مدولاتور بوده که سیکنال ورودی را با تنظیم پهنای باند تا سطح مورد نظر فیلترینگ میکند و همچنین این بخش به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مجهز میباشد و وظیفه این مبدل همان تبدیل سیگنال های آنالوگ به سیگنال دیجیتال میباشد. مرحله دوم بخش انتقال تا مبدل میباشد در این بخش با استفاده از ترجمه سیگنال به فرکانس مورد نیاز و قدرت آمپلی فایر میباشد که باعث انتقال سیگنالهای مدوله شده در سطح مورد نظر از طریق آنتن میباشد [۳] .

در قسمت دریافت سیگنال آنتن کار اصلی را عهده دار است زیرا امواجی که در فضا منتشر شده اند را دریافت میکند. سیگنالهای دریافتی به صورت پایین تبدیل down-converted و مدوله شده و فیلتر شده سیگنال اصلی از طریق زنجیره خروجی منتشر میشود.

مهمترین نکته حائز اهمیت در این بخش را میتوان معرفی رادار به عنوان وسیله اندازه گیری معرفی کرد . اجزاء تشکیل دهنده سیستم رادار فرستنده , گیرنده آنتن وسیستم های الکتریکی جهت ثبت و پردازش اطلاعات می باشد . 

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

شکل  4-5 بلوک دیاگرام یک رادار

مدولاتور تولید پالس ۸µ sec می کند زیرا  1µ sec برای گرم شدن لامپ قبل از تولید سیگنال می باشد و ۱µ sec جهت خروج کامل سیگنال از لامپ مگنترون می باشد.

Coho :  تولید کننده سیگنال مرجع می باشد حدوداً۳۰ MHZ

Stalo:  تولید کننده سیگنال کریر می باشد حدود ۱۲۵۰ MHZ  –   1350 MHZ  

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

شکل  4-6 بلوک دیاگرام مدولاتور تولید پالس

شکل ۴-۷ مدار تولید پالس

PRT:  مدت زمان یک پالس از لبه بالا رونده تا لبه ی بالا رونده پالس بعدی

محاسبه ی عرض پالس تولید شده توسط مدولاتور PFN :

PW = N

عرض باند:      1350 – ۱۲۵۰  = 100 MHZ

نقاط فرکانسی هر رادار بستگی به فیلترهای موجود و به کار رفته در آن دارد.

    عرض سیم: بستگی به آنتن دارد و خود آنتن نیز بستگی به فرکانس مورد استفاده دارد.

۱-۳- فرمول های اساسی رادار

معادلات رادار

در مورد تئوری رادار میتوان نوشت که فرض کنید یک سیستم ارتباط رادیویی که فرستنده طول پالس با توان پیک Pt (وات) و عرض پالس t (ثایه) و همچنین با طول موج  l (متر) داشته باشیم.پالس توسط تابش آنتن و ارسال پالس به شی مورد نظر در محدوده R (متر) ارسال میگردد. پگالی توان که به شی مورد نظر میرسد در زیر نشان داده شده است [۴]:

Capture

هدف دارای یک نقطه پراکندگی s بوده و قدرت به صورت مساوی در همه جهات به یک اندازه پراکنده میشودو همچنین میتوان چگالی توان برگشتی به رادار را طبق رابطه زیر تعریف نمود.

Capture

اندازه گیری های بدست آمده توسط طول موج در زیر بدست آمده اند:

Capture

قدرت دریافتی  Pr توسط معادله زیر به دست می آید:

Capture

در اینجا

Pt= قدرت فرستاده شده

Gt=بهره آنتن فرستنده

Ar=منظقه موثر انتن گیرنده است

s=ضریب پراکندگی

F=عامل انتشار الگو است

Rt=فاصله بین فرستنده و هدف است

Rr=فاصله بین هدف و گیرنده است

پهنای باند گیرنده به متقابل از عرض پالس فرستنده t گرفته میشود بنابراین نسبت سیگنال به نویز در گیرنده از رابطه زیر بدست می آید:

Capture

سرعت نسبی بین رادار و هدف نیز همینگونه بدست می آید [۶].

اصول اثر داپلر

اثر داپلر به معنای تغییر فرکانس یک حرکت نسبی یک منبع موج و یک مشاهده گر میباشد

شکل ۲ : فرکانس و سرعت بین ناظر و منبع

fs فرکانس منبع است.

fR فرکانس ناظر است؛

fW فرکانس تمام موج است.

 vsسرعت منبع است؛

vR سرعت ناظر است؛

u سرعت تمام موج است

Capture

شکل۲: تجزیه و تحلیل دو موقعیت های مختلف با vs =0 and vR =0

همانطور که در شکل معلوم است فرکانس ناظر برابر با تمام موج در واحد زمان میباشد. فرض کنید موج از طریق ناظر با سرعت v عبور کند سپس تمام موج در زمان t  برابر خواهد بود با N = vt / l  بنابر این تعداد تمام موجها که از ناظر عبور میکند در واحد زمان برابر است با

f = v / l

چهار موقعیت برای توضیح اثر داپلر با جرییات همراه با سرعت ناظر و منبع در زیر نشان داده شده اند :  [7]

ناظر و منبع نسبتا ثابت هستند (vs = 0,vR = 0 )

Capture

منبع ثابت ولی ناظر با سرعت vR نسبت به منبع موج حرکت دارد (vs = 0,vR ¹ ۰)

فرکانس ناظر بیشتر از فرکانس منبع میباشد

Capture

ناظر ثابت ولی منبع با سرعت vs در حال حرکت میباشد :(vs ¹ ۰,vR = 0):

فرکانس ناظر افزایش میابد

Capture

هم ناظر و هم منبع دارای سرعتهای  vs ,  vR  میباشند (vs ¹ ۰,vR ¹ ۰)

فرکانس ناظر خیلی بیشتر از فرکانس تمام موج است.

Capture

آشنایی با پدیده پژواک و رادار داپلر

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

هنگامی كه شما به داخل یك چاه فریاد می‏كشید، صدای شما از دهانة چاه به سمت انتهای چاه رفته و پس از برخورد با سطح آب انتهای چاه منعكس می‏شود. در این حالت اگر شما سرعت صدا را به طور دقیق بدانید، با اندازه‏گیری زمان رفت‏وبرگشت صدا می‏توانید عمق چاه را حساب كنید.

پدیدة داپلر نیز بسیار معمول است. شما هر روز (بدون اینكه حتی از آن دركی داشته باشید) آن را تجربه می‏كنید. این پدیده زمانی رخ می‏دهد كه یك مولد امواج صوتی و یا منعكس كننده امواج صوتی دارای حركت باشد. مثلاً یك خودرو كه در حال بوق زدن است. حالت تشدید شدة پدیدة داپلر در شكستن «دیوار صوتی» رخ می‏دهد. در این جا به درك این پدیده می‏پردازیم (ممكن است شما برای اینكه بهتر این پدیده را درك كنید كنار یك اتوبان آن را تجربه كنید) فرض كنید كه خودرویی با سرعت ۱۰۰ كیلومتر بر ساعت در حال بوق زدن به سمت شما در حركت باشد. تا زمانی‌كه خودرو در حال نزدیك شدن به شماست فقط یك نت صوتی را می‏شنوید (در واقع یك فركانس ثابت، در شماره گذشته راجع به فركانس صحبت كردیم)، اما هنگامی كه خودرو به كنار شما می‏رسد صدای بوق ناگهان تغییر كرده و به عبارتی «بم» تر می‏شود و بعد از لحظه‏ای كه از شما عبور كرد (و اگر همچنان راننده در حال بوق زدن بود) ناگهان صدا بم‏تر نیز می‏شود، در صورتی كه شما می‏دانید كه صدای بوق همیشه ثابت است، كما اینكه 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 كه رخ می‏دهد: «سرعت صوت» مقداری ثابت است، برای ساده‏تر شدن محاسباتمان سرعت صورت را ۱۰۰۰كیلومتر در ساعت در نظر بگیرید. (سرعت واقعی صوت وابسته به دما، فشار هوا و رطوبت هواست.) فرض كنید كه خودرویی در فاصله یك كیلومتری شما قرار دارد (بصورت غیر متحرك). راننده داخل خودرو به مدت یك دقیقه شستی بوق را فشرده تا صدا به گوش ما برسد، این صدا با سرعتی برابر با ۱۰۰۰كیلومتر بر ساعت به سمت شما حركت می‏كند، بعد از ۶ ثانیه از فشرده شدن شستی بوق توسط راننده، شما چه صدایی را خواهید شنید؟ (این ۶ ثانیه در واقع مدت زمانی است كه طول می‏كشد صدا به شما برسد) و به مدت یك دقیقه پس از آن چه می‏شنوید؟ مسلماً صدای بوق را بدون هیچ تغییری.

پدیده داپلر

 شخص پشت سر خودرویی را با بسامدی (فركانس) پایین‏تر و بم‏تر از آنچه كه راننده داخل خودرو و در حال حركت می‏شنود. راننده از شخصی كه خودرو به سمت آن در حال حركت است صدا را با نت پایین‏تر می‏شنود.

حال فرض كنید خودرو از فاصله‏ای دور با سرعتی معادل ۱۰۰ كیلومتر بر ساعت به سمت شما حركت كند، همان راننده با همان خودرو و با همان صدای بوق و به مدت همان یك دقیقه شستی بوق را فشارمی‌دهد می‏شود. جالب است! شما صدای بوق را فقط به مدت ۵۴ ثانیه خواهید شنید آن هم به خاطر حركت خودرو رخ داده است.

در واقع تعداد اعوجاجهای موج صوتی ثابت بوده ولی در زمان كوتاه‏تری به سمت شما آمده و از آنجائی‌كه تعریف فركانس تعداد نوسانات موج در واحد زمان است لذا اگر قبلاً این نوسانات را ۱ بر ۶۰ ثانیه تقسیم ‏كردیم و فركانس F1 بدست می‏آمد، حال باید این تعداد نوسانات را بر ۵۴ تقسیم كنیم كه مطمئناً عددی بزرگتر خواهد شد. این عدد بزرگتر یا فركانس بالاتر یعنی صدای «زیر»تر. همین توجیه نیز برای خودرویی كه از شما وجود دارد، در این حالت شما ۶۴ ثانیه صدای بوق را می‏شنوید كه فركانس حاصله در این حالت كمتر (یا صدای بم‏تر) خواهد بود.

بررسی رادار داپلر

رادار داپلر راداری تخصصی است که با استفاده از اثر داپلر برای موقعیت یابی تست سرعت و فاصله یابی استفاده میکند[۸].

زمانی که که رادار پالس فرکانس ثابت به یک هدف میفرستد یه تغییر (شیفت) بین موج ارسالی و موج برگشتی از هدف به وجود میآید.ما به این تغییر یا انحراف فرکانس داپلر میگوییم.

بسته به میزان فرکان داپلر  میتوان نسبت سرعت بین رادار و هدف را اندازه گیری کرد با توجه به زمان بین پالس ارسال و دریافت میتوان فاصله هدف را تخمین زد. در همین حال تخمین سیگنال هدف از چیزهای قوی برای چک کردن طیف فرکانس داپلر آسان میباشد.

فرض کنید اندازه و یا رنج هدف برابر با R و تعداد کلی طول موجها l در یک مسیر دو طرفه از رادار به هدف و برگشت آن   2R / l میباشد. هر طول موج مربوط به یک تغییر فاز ۲p رادیان میباشد. بتابراین مسیر انتشار تغییر فاز کلی در مسیر دوطرفه مانند زیر میتوان نشان داد[۹]:

Capture

اگر هدف و رادار یک حرکت نسبی داشته باشند،  R تغییر میکند .مشتق فرمول نسبت به زمان به ما نرخ تغییرات فاز را میدهد که همان فرکانس زاویه ای نام دارد.

Capture

که در آن vr = dR / dt سرعت زاویه ای (متر بر ثانیه) بوده یا نرخ تغییر نسبت به زمان از آن نام برده میشود.اگر زاویه بین بردار سرعت هدف و رادار وجود داشته باشد و دید هدف q باشد سپس vr = v cosq , خواهد بود . در اینجا v سرعت خواهد بود . نرخ تغییرات f نسبت به زمان را فرکانس زاویه ای نام دارد wd = 2pfd , . در اینجا fd شیفت فرکانس داپلر میباشد.بنابر این میتوان معادله را به صورت زیر بازنویسی کرد:

Capture

برخی از معادلات مربوط به امواج التراسونیک

سرعت صوت:

سرعت صوت به چگالی موادی که از آنها عبور میکند بستگی دارد. شما میدانید که هوای سرد از هوای گرم چگالتر میباشد، اما این بدان معنی است که صدا با سرعت بیشتر در دمای سرد حرکت میکند یا در دماهای گرم؟ پاسخ این است که هرچه هوا گرمتر شود سرعت صوت نیز افزایش پیدا میکند. اما این افزایش دما چه تناسبی با میزان افزایش دمای محیط دارد؟ اندازهگیریها نشان میدهد به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش دمای هوا، ۶٫۰ متر بر ثانیه سرعت صوت نیز افزایش پیدا میکند. به طور کلی رابطه ی سرعت صوت با توجه به دمای محیط انتشار آن به صورت زیر است:

Capture

در رابطه ی بالا V سرعت صوت در دمای T میباشد که برحسب متر برثانیه بیان میشود.

 V0 نیز سرعت صوت در دمای صفر درجه سانتیگراد میباشد که برابر با ۳۳۱ متر برثانیه است. پس در رابطه ی بالا V0 مقداری ثابت دارد.

رابطه اندازه گیری مسافت با توجه به سرعت صوت و مدت زمان رفت و برگشت امواج التراسونیک:

همانطور که قبلا توضیح داده شد سنسورهای التراسونیک در نهایت مدت زمان رفت و برگشت یک موج را بر حسب میکروثانیه به ما میدهند و ما باید بتوانیم رابطهای به دست آوریم که مدت زمان را بر حسب میکروثانیه از ما بگیرد و مسافت پیموده شده را برحسب متر یا سانتیمتر و با توجه به نیازمان به ما تحویل دهد.

Capture

حال با توجه به رابطه سرعت صوت و با توجه به دمای محیط انتشار آن رابطه ی زیر حاصل میشود:

Capture

ز آن جایی که ۳۳۱ V0= متر بر ثانیه میباشد:

Capture

رابطه ی بدست آمده رابطه ی نهایی است که از ما دمای T بر حسب درجه ی سانتیگراد را گرفته و سرعت صوت در آن محیط را بر حسب سانتیمتر بر میکروثانیه تحویل میدهد و این رابطه دقیقا آن چیزی است که ما به آن نیاز داریم.

مثال)

 سرعت صوت در دمای اتاق چند سانتیمتر بر میکروثانیه میباشد؟ از انجایی که ما میدانیم دمای اتاق برابر با ۲۵ درجه است، میتوانیم سرعت صوت را نیز در این محیط بدست آوریم:

Capture

برخی از کاربردهای رادا
كاربردعلم 
از مهمترين كاربردهاي علمي رادار با اغاز عصر فضا بوجود امده است وبشر توانست براي اولين بار به كمك رادار به فضا دسترسي پيدا كند و حتي سطح سياره ها و اشكال گوناگون انها را شناسايي كند.اين موفقيت سالها قبل از ان بود كه سفينه ها بتوانند ار سطح سيارات عكسبرداري كنند 
كاربرد فضايي 
شاتل هاي فضايي وماهواره هاي دوار بر دور كره ي زمين از رادار براي تهيه نقشه عوارض جغرافيايي سطح زمين،ماه و ديگر سيارات استفاده مي كنند. 
كاربرد نظامي 
1. مراقبت هوايي 
2. رهگيري و هدايت اشياي پرنده  
3. رديابي سطحي و مراقبت از ميدان نبرد  
4. هدايت موشكهاي زمين به هوا 
5. هواشناسي 
مراقبت هاي هوايي 
 كشف و اخطار هواپيما و موشكهاي قاره پيما،رديابي ومراقبت از ماهواره ها  
اخطار اوليه ي راه دور 
 تعيين ارتفاع هد ف 
 مديريت وكنترل ترافيك هوايي 
كنترل زميني عمليات رهگيري هوايي 
رهگيري و هدايت اشياي پرنده 
كنترل زميني عمليات رهگيري هوايي 
 كنترل اتش ضد هوايي 
 كنترل اتش توپهاي زميني،اژدرها وموشكها 
 هدايت موشكها 
تقرب و نشستن با هدايت رادار 
 اندازه گيري فاصل 

رديابي سطحي و مراقبت از ميدان به شرح زير :


ناوبري دريايي وگشت دريايي 
 مديريت وكنترل راههاي ابي وبندر 
 تشخيص عوارض جغرافياي زمين 
پيدا كردن محل توپخانه ها و خمپاره اندازها 
 تشخيص متجاوز 
 پيذا كردن ميدان هاي مين 
مديريت وكنترل ترافيك در مسير كاربرد نظامي 

هواشناسي 
مشاهده و پيشگويي وضعيت جوي مانند =باد، نزولات اسماني،تراكم ابرها و ،وضعيت گردبادها به منظوراخطار وجلوگيري از ورود هواپيما به شرايط جوي.

رادار داپلری با موج پیوسته ساده:

برخی از محققان یک نمونه پالس رادار متفاوت ذکر کرده اند . یک رادار cw   زمانی که دریافت موج میکند انتقال را انجام میدهد. این رادار قادر خواهد بود این کار را بدون حتی شیفت داپلر که توسط جابجایی هدف به وجود میآید انجام دهد . یک سیگنال اکو cw  ضعیف خیلی جاها قابل شناسایی نیست در جاهایی که سیگنال قویتری از فرستنده وجود دارد [۱۰] . فیلتر کردن دامه فرکانسی با استفاده از جداسازی سیگنال شیفت داده شده ضعیف اکو از فرستنده سیگنال قوی در سیستم رادار cw  صورت خواهد گرفت . فرستنده یک نوسان سینوسی پیوسته تولید میکند که توسز آنتن پخش میشود. در انعکاس یک هدف در حال حرکت ،سیگنال فرستاده شده به وسیله تاثیر داپلر با مقدار مشخص  ± fd شیفت پیدا میکند . این عمل نیز در زمانی هم که فاصله بین رادار و هدف در حال کاهش است اتفاق می افتد. بنابراین سیگنال اکو از یک هدف نزدیک باعث انتقال فرکانس بیشتری میگردد.و بالعکس زمانی که فاصله در حال افزایش است فرکانس کمتری منتقل میگردد. به منط.ور استفاده از شیفت فرکانس داپلر رادار باید توانایی شناسایی سیگنالهای دریافت شده که تغییر فرکانس داده اند را داشته باشد. سیگنالهای ضعیف فرستنده به عنوان یک مرجع برای تعیین تغییر فرکانس تعیین میشود.

پالس رادار داپلر

رادار داپلر پالس دار با مقایسه با رادار داپلر cw متفاوت کار میکند بدین معنی که یک رادار cw  نمیتواند به راحتی به رادار پالس دار با تبدیل نوسانات روشن و خاموش  cw  برای تولید پالس تبدیل گردد. تبدیل پالس در این روش سیگنالهای مرجع در  گیرنده را نیز حذف میکند که این سیگنالها برای شناسایی شیفت فرکانس داپلر مورد نیاز است. بنابراین همانگونه که در شکل ۴ نشان داده شده است خروجی پایدار یک نوسان ساز توسط یک تقویت کننده پر قدرت، تقویت شده است. این تقویت کننده با روشن وخاموش شدن تولید پالسهای پرقدرتی مینماید.سیگنالهای اکو دریافت شده همراه با خروجی نوسان ساز cw  مخلوط شده و این عملیات به صورت منسجم انجام میشود و هر گونه تغییراتی در فرکانس سیگنال اکو دریافت شده را شناسایی میکند.منسجم بودن این عملیات بدین معنی است که پالس منتقل شده در سیگنال مرجع حفظ خواهد شد. همچنین تغییر در فرکانس توسط فیلتر داپلر شناسایی خواهد گشت [۱۱] .

رادارهای تصویر مجازی

بسیاری از محققان به رادارهای تصویر مجازی (SAR) و تولید تصاویر، نقشه ها و  با وضوح بالا و یک صحنه با ترکیبهایی خاص در یک محدوده وسیع اشاراتی داشته اند. وضوح بالا در یک محدوده توسط پالس های کوتاه یا فشرده سازی پالس ها بدست می آید .sar  مقداری از دیگر رادارها پیچیده تر بوده اما همین پیچیدگی باعث شده است تا تصاویری با کیفیت و وضوح بالا برای ما تصویربرداری کند. اما در حال حاضر یک sar  عادی برای تصویر اشیا ثابت طراحی گشته است.

فصل سوم

معماری ساخت

مقدمه

این فصل شامل دیاگرام و معماری ساخت دو فرکانس مختلف ۲٫۴ و ۲۴ گیگاهرتز سیستم رادار داپلر و نحوه تست عملکرد آن میباشد.

سیستم رادار ۲٫۴ گیگاهرتز

داپلرهای کم هزینه میتوانند با استفاده از مواد ساده به اجرا گداشته شوند که همراه با آن باید تقویت کننده ویدیویی و بخش فرکانس رادیویی همراه با آن نصب شده است.

در دیاگرام زیر نحوه کارکرد کلی آن را به صورت مختصر و مفید نشان داده شده است همان طور که در دیاگرام نیز نشان داده شده است طیف رادار یک سیستم fmcw  بوده و از سه بخش تشکیل شده است.

بخش اول : بخش انتن

بخش دوم : تقویت کننده ویدیویی

بخش سوم : بخش RF

سیگنالهای ارسالی مدوله شده از طریق مدولاتور ودر سمت چپ کانال با یک تضعیف کننده ۳ دسی بل موجود  میباشد.

برای ارسال این مقدار موج نیاز به یک قدرت حدود ۱۰ میلی وات داریم.  دریافت کننده سیگنالها با کمترین نویز دریافت میشوندو یک میکسر یا مخلوز کن بین رسیور و ارسال کننده کار میکند.پس از مقایسه سیگنالهای انتقال و دریافت شده سیگنال ها مخلوط شده و این کار وظیفه تقویت کننده ویدیویی میباشد. پهنای باند این تقویت کننده ۲۰ کیلوهرتز میباشد. این رادار برای کارکرد در رنج فصله ای ۱ کیلومتر با باند ۲٫۴ گیاهرتز مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

Capture

شکل۳-۱: دیاگرام بلوکه ۲٫۴ گیگاهرتز

تراشه ۲۴ گیگاهرتز در سیستم رادار

در این تراشه با سیستم میکرویو با بیم rf   و فرکانس کاری ۲۴ گیگاهرتز به بررسی خواهیم پراخت . همچنین گفتیم که سیستم رادار داپلر یک سیستم راداری کم هزینه میباشد که شامل یک فرستنده و گیرنده  مینیاتوری K-band 24 گیگاهرتزی میباشد همچنین در بخش های قبلی نیز به این پرداختیم که وظیفه این سیستم تشخیص حرکت هدف، حفاظت و تست سرعت میباشد.

فرستنده و گیرنده K-LC1a

در این رادار این نوع فرستنده و گیرنده به کار رفته است و همچنین این نوع از فرستنده و گیرنده یک عدد ماؤول رادار داپلری ۸ راهه (پچ) بوده که بیم آن از نوع کم هزینه و کابرد کوتاه میباشد .این فرستنده و گیرنده را میتوان حتی در سنسور دربهای اتوماتیک به کار برد.

این نوع از فرستنده و گیرنده بینهایت کوچک بوده و سبک وزن بوده با بهنای باند آن تا نهایتا ۵۰ مگاهرتز میباشد.با توجه به پرتو منحصر به فرد  ، نوسان بیم rf  را میتوان اندازه گیری کرد.

Capture

شکل۳-۱ بلوک دیاگرام K-LC1a

نمودار زیر حساسیت ماژول در هر دو زاویه و ارتفاع جهت نشان می دهد. این تکنولوژی از نتیجه فرستنده و گیرنده ویژگی های آنتن را نشان میدهد.

Capture

شکل ۳-۳نمودار سیستم آنتن برای K-CL1a

برای ماژول K-CL1a حساسیت رو مورد آطمایش قرار داده اند و آزمایش ها مشخص شد که حساسیت این ماژول به خیلی اط پارامترها بستگی  دارد .اما مطابق با معادله rcs  (سطح مقطع راداری) (radar cross section ) که در پایین آورده شده است میتوانیم حساسیت یک ماژول رادار را به خوبی محاسبه کنیم . زیرا به طریقی میتوان به این نتیجه دست پیدا کرد که بیشترین محدوه یا رنج جنبش داپلر ب هحساسیت ماژول (-۱۱۴dBc) بستگی دارد که حامل فرکانسی ’(۲۴٫۱۵GHz) میباشد .

طبق این تعاریف فرمول گفته شده به شکل زیر در می آید:

Capture

کیت استارتر ST100  در بیم RF

کیت استارتر ST100  در بیم rf  شامل یک مادربرد pcb  و یک ماژول K-CL1 میباشد. استارتر ST-100 شامل دو تقویت کننده دوکاناله با سرو صدای کم (کم نویز) و یک ADC 16 بیتی و دو عدد dac  16 بیتی میباشد ADC   و   DAC بخش هایی از یک کدک های صوتی می باشد، به رفتار مثل یک  USB  صوتی دستگاه میباشد. در شکل زیر شماتیک این استارتر را میبینید:

Capture

شکل ۳-۴بلوک دیاگرام برای RF-پرتو با کیت استارتر ST100

همانطور که در شکل بالا مشخص است این استارتر شامل سه ورودی جلوی یا اخر رادار فراهم میکند به هرحال ورودی ها بسته به نوع شرایط فیزیکی متفاوت است. و ممکن است ورودی ها توسط سوئیچ های DIP انتخاب گردد. و به وسیله مولتی پلکسر adc  کدک روت گردد.

رادار با دهانه مجازی SAR

 تاریخچه رادار با دهانه مصنوعی SAR  به سال ۱۹۵۰ میالدی برمی گردد زمانی که وایلی ایده استفاده از آنتنی کوچک را به جای آنتنی بزرگ مطرح کرد.رادارهای SAR نقش مهمی در گردآوری اطالعات ایفا می کنند . دید رادارهای SAR در شب اغلب به خوبی دید آنها در روز است و نسبت به شرایط آب و هوایی، مستقل هستند .این ویژگی ها، به همراه تفکیک باال سبب می شود تا این رادارها در مشاهدات جهانی، زیست محیطی، نظامی و موارد امنیتی مورد توجه قرار گیرند. رادار با دهانه مصنوعی SAR یک سیستم تصویر برداری با استفاده از امواج مایکرویو می باشد که توانایی ایجاد تصویری با قابلیت تفکیک باال را با استفاده از داده های جمع آوری شده توسط آنتنی کوچک داراست. در SAR هدف ایجاد تصویری دو بعدی است که بعدی را که در راستای تشعشع موج می باشد برد  و به بعد عمود بر آن, عمود بر برد می گویند و به خط سیر هواپیما و یا ماهواره  می گویند که اگر رادار دارای زاویه کجی آنتن  حامل رادار، سمت کمی باشد قطعا جهت سمت و عمود بر برد یکسان خواهند بود . از زمان های پیش از به وجود آمدن SAR می دانستند که برای دست یابی به قدرت تفکیک باال در جهت برد بایستی از سیگنالی با پهنای باند باال استفاده کرد و برای جهت سمت از آنتنی بزرگ استفاده نمایند تا اینکه پهنای پرتو آن در جهت سمت باریک شده و قدرت تفکیک باالیی داشته باشد . بدون شک، تصویری که SAR از یک منظره نشان می دهد از دید یک ناظر بی تجربه و مبتدی نامفهوم است .زیرا بر خالف تصاویر نوری، تفسیر این تصاویر با یک دید معمولی متفاوت است. ا توجه به آنچه گفته شد در این نوع سیستم ها یک آنتن با طول بلند شبیه سازی می شود. شبیه سازی بر این اساس انجام می گیرد که یک عارضه می تواند در مدت زمان طوالنی تری مشاهده شده و اطالعات مربوط به آن جمع آوری گردد . شکل ٢-۴ مفهوم بنیادین سیستم های SAR را نشان می دهد . برای شبیه سازی این آنتن تمامی بازگشت ها از یک شیء در تمام مدت زمانی که شی ء در دید سنجنده است ثبت می گردد و سپس تمامی آنها مورد پردازش قرار می گیرند . در این پردازش ها تنها بازگشت های یک شی ء مورد استفاده قرار می گیرد و بازگشت های مربوط به عوارض دیگر از پردازش حذف می گردند. این فرآیند برای تمامی پیکسل ها انجام می شود تا به دقت مورد نظر برای هر پیکسل رسید . در حقیقت با استفاده از اطالعات زیادی که در مورد یک شیء جمع آوری می گردد می توان به یک عرض موج باریکتر رسید وبنابراین قدرت تفکیک را بهبود بخشید.پالس های متعددی در این سیستم به سمت اشیاء با سرعت زیاد ارسال می شوند و تمامی بازگشت ها ثبت می گردند . بسته به مقداری که از داده های جمع آوری شده استفاده شود ، می توان دقت برداشت را تغییر داد و بنابراین به وسیله پردازش می توان تصاویر مختلفی تولید نمود یا به سنجنده فرمان داد که حجم برداشت را برای سطح دقتی خاص تنظیم نمود.

Capture

شکل ۳-۵ چگونگی تصویر برداری در سيستم های SAR

جهت پرتو افشانی در یک سیستم پرتو افشانی رادار نسبت به جریان حرکت وسیله به سمت مقابل توجه دارد . امواج رادار بازتابی که از یک آنتن نصب شده بر روی فضاپیما گسیل شده است و توسط سطح زمین برگردانده شده در کسری از ثانیه توسط آنتن مشابه ای دریافت می شود ، سپس  اندازه گیری شده و ثبت می گردد تا تصویر ساخته شود . سیستم هوابرد یا فضابرد SAR یک سیستم جانب نگر دارد که در شکل ٢-۶ نشان داده شده است . به دلیل شکل آنتن که در یک لحظه همانند یک نقطه عمل می کند ، بازتابش از زمین مربوط به منطقه ای است که به آن فوت پرینت آنتن گفته می شود . همچنان که سیستم SAR با سرعت v در راستای مسیر فرضی و در ارتفاع H از سطح زمین حرکت می کند . پهنه ای از زمین swach را طریق ارسال و دریافت یک سری پالس های میکروویو تصویر برداری می کند که نرخ این پالس ها را فرکانس تکرار پالس یا به اختصار PRF  گویند.

در شکل ۵هندسه یک سیستم SAR نشان داده شده است و پارامتر های آن در ادامه توضیح داده می شوند . در این شکل فوت پرینت آنتن به اندازه بیم آنتن روی زمین اطالق می شود . عرض swath اندازه فوت پرینت آنتن روی زمین در جهت گستره است . دریافت کننده SAR به وضوح جریان بازگشتی از زمین را ثبت می کند و آنها را به اکو های مجزا تقسیم می کند به نحوی که هر اکو با یک پالس مطابقت داشته باشد . اکو یا امواج بازگشتی در اثر پراکنده ساز ها ایجاد می شوند . سطح زمین از پراکنده سازها که در واقع هسمان اشیاء و اجسام هستند ، تشکیل شده است مثل درختان ، زمین ، یخ ، که این اشیاء با امواج رادیویی گسیل شده از ماهواره واکنش نشان می دهند . ازآنجا که در سیستم SAR تابش و دریافت سیگنال در مکان تقریبا یکسانی از فضا صورت می گیرد ، واکنش هایی که در هندسه SAR اهمیت دارند ، انعکاس های امواج تابیده شده رادار است  .

Capture

شکل ۳-۶ تصویربرداری روزنه مجازی

در قسمت بالا نحوه ی کارکرد رادار و معماری ساخت آنها گفته شد ، معماری ساخت یکی از مهمترین بخشهای طراحی رادار میباشد در قسمتهای قبل گفتیم که رادار ساخته شده از امواج التراسویک یا فراصوت استفاده مینماید برخی از قطعات مربوط به ارسال و دریافت این امواج که در رادار به کار رفته و به صورت دو ردیف در بالا و پایین یک صفحه فلزی مسطتیل شکل نصب شده است شامل ماژول زیر میباشد:

ماژول التراسونیک (  hc- SR04    (

شکل ۳-۷ ( سنسور التراسونیک دارای فرستنده و گیرنده(

این ماژول دارای چهار پایه است. چیزی که مشخص است از این ۴پایه ۲پایه ی آن VCC وGND می باشند. زیرا ماژول التراسونیک ما یک قطعهی الکترونیکی است و هر قطعه ی الکترونیکی به تغذیه نیاز دارد.

تصویر۳-۸ نمای روبه رو و پشت سنسور

همان طور که در شکل باال دیده میشود، ۲تا از پایه های ماژول، مربوط به VCC و GND میباشد و ۲پایه ی دیگر مربوط به فرستنده و گیرنده ماژول است. پایه فرستنده ماژول trigger یا پرتابنده نام دارد و پایه ی گیرنده echo یا بازتابنده نامیده میشود.  

ولتاژ کاری این ماژول ۵ ولت است و میتواند فواصل بین ۳تا۴۰۰ سانتیمتر را اندازه گیری نماید. اگر قصد اندازه گیری فواصل بیشتری را دارید باید بیشتر هم هزینه کنید و ماژول بهتری بخرید.

نحوه ی اتصال سخت افزاری ماژول hc- SR04 به آردوینو:

.

تصویر۳-۹ اتصال سخت افزاری ماژول التراسونیک به برد آردوینو

در قسمت اتصال سختافزاری ما پایه های VCC و GND را به ۵v  و GND آردوینو متصل کرده و پایه های  echo و trigger را به ترتیب به پایه های ۲ و ۳ آردوینو متصل میکنیم. شما میتوانید این دو پایه را به هر یک از پایههای دیجیتال آردوینو به دلخواه متصل نمایید.

در این پروژه این ماژولها بر روی یک صفحه مستطیل شکل فلزی نصب شده اند و امواج توسط بلوتوث دریافت میگردند.

صفحه فلزی به وسیله یک پایه به یک محور چرخان وصل میگردد . این محور با چرخش ۳۶۰ درجه ای به ما این امکان را میدهد که برای سنجش اشیا یک میدان کامل به صورت قطر یک دایره اشته باشیم و در هر زمان که رادار تشخیص داد که جسمی بر س راهش قرار دارد ب ارسال امواج بلوتوث به ما وجود جسم را اطلاع دهد و برای این کار نیاز به برنامه نویسی میباشد که در زیر نخوه ی برنامه نویسی این ماژول را توضیح خواهیم داد.

برنامه نویسی این ماژول بوسیله آردوینو

در برنامه نویسی این ماژول قرار است که ما ابتدا امواج التراسونیک را بوسیلهی فرستنده تولید کرده و مدت زمان ارسال تا دریافت این موج را محاسبه نماییم. وقتی زمان را بر حسب میکروثانیه داشته باشیم میتوانیم مسافت پیموده شده توسط این موج را بدست آورده و در سریال مانیتور یا یک ال سی دی نمایش دهیم. ابتدا برنامه ای را مینویسیم که یک پالس فعال ساز را به پایه ی trigger بدهد. برای این کار لازم  است که بدانیم چگونه یک پالس را باید تولید کنیم.

به این دو شکل دقت کنید:

تصویر ۳-۱۰ نمایش یک پالس مربعی که ما آن را پالس HIGH مینامیم

تصویر ۳-۱۱ نمایش یک پالس مربعی که ما آن را پالس low مینامیم

تفاوت این دو شکل در چیست؟

 همان طور که در تصاویر مشخص است پالس HIGH(شکل اول( یک سیکل از پالس مربعی میباشد که در تمام زمانها LOW میباشد و در یک زمان کوتاه HIGH میشود و از این رو ما به آن پالس HIGH میگوییم. درواقع پالس LOW(شکل دوم( یک سیکل از پالس مربعی میباشد که در تمام مواقع HIGH است و یک زمان کوتاه LOW میشود از این رو ما به آن پالس LOW میگوییم. در برنامه نویسی التراسونیک ما چه پالسHIGH به پایه trigger بدهیم چه پالسLOW ،هر دو مورد، باعث فعال سازی فرستنده و ارسال موج میشود و پس از بازتاب آن موج از سطح مانع، گیرنده آن را دریافت میکند و وضعیت پایه ی echo به سطح منطقیHIGH میرسد.

برنامه ی زیر باعث تولید یک پالسHIGH میشود:

Capture

در این برنامه پایه شماره ۳ متعلق به پایه trigger میباشد.

دقت کنید که برای فعالسازی پایه trigger نباید مجموع تاخیرهای ما بیشتر از ۱۰ میکروثانیه شود.

بلافاصله بعد از فعالسازی فرستنده توسط کدهای باال باید یک ساعت شروع به شمارش کند و تا زمانی که پایه ی گیرنده، یعنی پایه echo به حالت HIGH تبدیل شود، این ساعت، زمان را متوقف ننماید. در برنامه نویسی آردوینو ما از تابع ;()pulseIn برای انجام این کار استفاده میکنیم.

Capture

این تابع همانگونه که از نام آن پیداست، دریافت کننده ی پالس میباشد. درواقع خروجی این تابع زمان برحسب میکروثانیه است. برنامه ما باید بالفاصله پس از فعالسازی فرستنده، وارد این خط از برنامه شود تا شمارنده ی تابع ;()pulseIn شروع به شمارش کند. این شمارنده تا زمانی که پایه ی ۲ که همان پایه echo میباشد، به حالت HIGH تبدیل نشود، زمان را متوقف نخواهدکرد.

پس از بازگشت موج به گیرنده و فعال شدن پایه echo تابع فوق زمان رفت و برگشت موج را در متغیر d میریزد. حال ما زمان رفت و برگشت موج را داریم و میدانیم که دمای اتاق ۲۵ درجه است، بنابر این سرعت صوت را در آن محیط بدست می آوریم و وقتی سرعت صوت را در مدت زمان رفت و برگشت صوت ضرب کنیم، مسافت پیموده شده بدست می آید.

Capture

نکته: چون d زمان رفت و برگشت موج میباشد و ما فقط فاصله تا مانع مدنظرمان است، لذا باید مدت زمان را نصف کنیم تا فاصله ما تا مانع مشخص شود.

حال ما فاصله را بر حسب سانتیمتر داریم و میتوانیم آن را روی سریال مانیتور چاپ کنیم و با آن آزمایشات خودمان را انجام دهیم.

کدهای کامل این برنامه به صورت زیر می باشند:

Capture

فصل چهارم

نتایج

مقدمه

در این فصل به بررسی نتایج حاصله از رادار روزنه مجازی و رادار داپلری خوهاهیم پرداخت و برخی از نتایج حاصله را اراعه خواهیم کرد.

بررسی تقویت کننده ویدیویی

بررسی ماژول مدولاتور

تست این قسمت از رادار باید توسط دستگاه اسیلسکوپ صورت گیرد و ما باید توسط اسیلوسکوپ زمان رمپ مدولاتور را بر روی ۲۰ میلی ثانیه و اندازه بزرگی چیپ isp  باند را  روی ۲٫۴ ولت تنظیم کنیم.

خروجی بررسی ها در شکل که توسط اسیلوسکوپ اجام گرفته است به صورت زیر میباشد:

شکل زیر مربوط به تنظیم ژنراتور بر روی ۲۰ میلی ثانیه میباشد:

شکل ۴-۱ نتایج اسلوسکوپ

حاصلVout(V)Vin(v) 
0.65-1.912.061KHz
0.79-1.882.06KHz2
1.27-1.782.06KHz3
1.88-1.662.06KHz4
2.19-1.602.06KHz5
2.93-1.472.06KHz6
3.67-1.352.06KHz7
4.34-1.252.06KHz8
4.99-1.162.06KHz9
5.45-1.102.06KHz10
6.54-0.972.06KHz11
6.91-0.932.06KHz12
8.11-0.812.06KHz13
8.77-0.752.06KHz14
9.89-0.662.06 KHz15
10.7-0.62.06 KHz16
  11.8-0.532.06 KHz17
Capture

 شکل ۴-۲ نتایج اسلوسکوپ

خروجی اسلوسکوپ با پریود زمانی ۲۰ میلی ثانیه

بررسی فیلتر فعال low-pass فعال ۱۵ کیلوهرتز

بررسی این فیلتر به وسیله اتصال به تولیدکننده موج سینوسی  به ورودی آن و انجام میگردد.همچنین بررسی  roll-off  در ۱۵ کیلوهرتز و بالای ۱۵ کیلوهرتز انجام گرفته است و در جدول زیر نتیج حاصل از آن آورده شده است.

نتایج به دست آمده در جرول زیر حاصل نتایج و خروجیهای فیلتر فعال low-pass فعال ۱۵ کیلوهرتز میباشد که از ۱ کیلوهرتز شروع و تا ۱۷ کیلو هرتز ادامه دارد.

بررسی انتن

ضریب انعکاس (هماناتلاف بازگشت انتن) یکی از مهمترین پارامتر ها در سیگنالهای رادیویی میباشد. برای ارسال و دریافت این امواج همواره یک ضریب انعکاس تعریف گشته است. این ضریب انعکاس همان اتلافات بازگشتی از انتن را به ما نشان میدهد.برای بررسی امواج انتن ۲٫۴ گیگاهرتز لازم میباشد  که در این سیستم راداری با توجه به امواج برگشتی در انتن میتونیم نمودار زیر را بدست آوریم.

Capture

شکل ۴-۳ نمودار ضریب انعکاس انتن

شدت زمان داپلر

سیستم راداری  24 گیگاهرتز با بیم RF

Capture

شکل ۴-۴ شدت زمان داپلر ۲۴ گیگاهرتز

در تصویر بالا شدت داپلر برای عبور یک اتومبیل نشان داده شده است. برای این اتومبیل تغییرات زمان نسبت به سرعتهای مختلف قابل مشاهده میباشد.همچنین در شکل مشهود است که سرعت متوسط اتومبیل حدود ۳ متر بر ثانیه میباشد مثلا میتوان فرض کرد که تومبیل در حال متوقف شدن در یک چهار راه یا جایی دیگر میباشد.در زمانهای ۷ و ۱۳ و ۱۷ ثانیه سرعت به طور مرتب در حال زیاد شدن میباشد .این طرح یا  dti  میتوان سرعت اجسام در حال حرکترا به آسانی بدست آورد.

سیستم رادار ۲٫۴ گیگاهرتز

Capture

شکل ۴-۵ رادار ۲٫۴ گیگاهرتز عبوری از خودرو

این شکل همچنین نشاندهنده عبور یک خوردو با سرعت عادی ۷ متر بر ثانیه در یک مسیر مستقیم میباشد در شکل بالا تغییرات سرعت توسط رادار ثبت گشته و تغیرات آن نسبت به زمان قابل مشاهده میباشد.این تصویر ثبت شده در حال حاظر یک نموه کوچک از تست سرعت برای اشیا میباشد.

محدوده زمانی شدت (RTI)

Capture

شکل ۴-۶شدت محدوه زمان برای دو نفر که در حال قدم زدنند

در شکل بالا شدت مخدوده زمان برای دو فرد که دور از رادار در حال قدم زدن را نشان میدهند قابل به ذکر است محدوده زمانی قدم زدن این دو شخص متفاو میباشد.یک فرد در یک زمان خاص شروع به راه رفتن مینماید و فرد دیگری پس از ۱۴ ثانیه در همان جهت اما با فاصله کمتری شروع به راه رفتن میکند.هر دو فرد در ثانیه ۲۵ متوقف میشونددر شکل بالا نموردار انها قابل رویت بوده و میتوان آن را با ازمایش انجام شده مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.

رادار روزنه مجازی

Capture

نتایج حاصله از این نوع تویر برداری در شکل بالا مشخص میباشد تصویر برداری sar  است . همانگوه  که در تصویر مشخص است میتوان با زوای دید مختلف اجسام را دید نحوه تصویر هم انگونه ک معلوم است طبق دسی بل های مختلفی با رنگهای مختلف در شکل نشان داده شده است . همچنین تظیم پلات را میتوان با خاموش و روشن کردن کانال هماهنگ سازی انجام داد.

بحث و نیجه کلی

در این پایان نامه بر اساس و طراحی دو نوع رادار ۲٫۴ و ۲۴ گیگاهرتز میباشد.این سیستم رادا بر روی تراشه all-in-one با بیم rf  نصب گشتند. این رادار از نوع رادار های با هزینه ساخت پایین میباشد.تنظیمات انتم را در این رادار انجام دادیم و هدف اصلی رادار سنجش سرعت اجسام بود اگر چه این سیستم رادار هنوز بهتر از این میشد طراحی کرد و اپشن های سنجش آن را بیشتر کرد.منبع تغذیه این رادار از برق ۲۲۰ ولت تامین میگردد و در ازمایشات داخلی ما از یک ریز تراشه XR-2206 استفاده کردیم و نتایج حاصله را در این پایان نامه و طی فصول مختلف آورده ایم.

برچسبها
مطالب مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

بهتر است دیدگاه شما در ارتباط با همین مطلب باشد.

0