Оперативный специалист 2-го класса Гилберт Лундгрен управляет радиолокационным оборудованием в центре боевой информации военного корабля США "Карни".
Радар используется повсюду вокруг нас, хотя обычно он невидим. Управление воздушным движением использует радар для отслеживания самолетов как на земле, так и в воздухе, а также для направления самолетов на посадку. Полиция использует радар для определения скорости проезжающих автомобилистов. НАСА использует радар для составления карт Земли и других планет, для отслеживания спутников и космического мусора, а также для помощи в таких вещах, как стыковка и маневрирование. Военные используют его для обнаружения врага и наведения оружия.
Метеорологи используют радар для отслеживания штормов, ураганов и торнадо. Вы даже можете увидеть радар во многих продуктовых магазинах, когда двери открываются автоматически! Очевидно, что радар - чрезвычайно полезная технология.
Когда люди используют радар, они обычно пытаются выполнить одно из трех:
- Обнаружение присутствия объекта на расстоянии - Обычно «что-то» движется, как самолет, но радар также может использоваться для обнаружения неподвижных объектов, похороненных под землей. В некоторых случаях радар также может идентифицировать объект; например, он может идентифицировать тип обнаруженного самолета.
- Обнаружение скорости объекта - это причина, по которой полиция использует радар.
- Нанесите что-нибудь на карту. Космический шаттл и орбитальные спутники используют так называемый радар с синтезированной апертурой для создания подробных топографических карт поверхности планет и лун.
В этой статье мы раскроем секреты радара. Давайте сначала посмотрим на звуковую версию, так как вы уже знакомы с этой концепцией.
СОДЕРЖАНИЕ
- Эхо
- Доплеровский сдвиг
- Понимание радара
Эхо
Эхо - это то, что вы испытываете постоянно. Если вы крикнете в колодец или каньон, эхо вернется через мгновение. Эхо возникает из-за того, что некоторые звуковые волны в вашем крике отражаются от поверхности (либо от воды на дне колодца, либо от стены каньона на дальней стороне) и возвращаются к вашим ушам. Продолжительность времени между моментом, когда вы кричите, и моментом, когда вы слышите эхо, определяется расстоянием между вами и поверхностью, которая создает эхо.
Расчет глубины с помощью эха
Когда вы кричите в колодец, звук вашего крика распространяется вниз по колодцу и отражается (эхом) от поверхности воды на дне колодца. Если вы измеряете время, необходимое для возвращения эха, и если вы знаете скорость звука, вы можете довольно точно рассчитать глубину скважины.
Доплеровский сдвиг
Доплеровский сдвиг: человек за автомобилем слышит более низкий тон, чем водитель, потому что автомобиль уезжает. Человек перед автомобилем слышит более высокий тон, чем водитель, потому что машина приближается.
Доплеровский сдвиг[/B] также распространен. Вы, вероятно, испытываете это ежедневно (часто даже не осознавая этого). Доплеровский сдвиг происходит, когда звук генерируется движущимся объектом или отражается от него. Крайний доплеровский сдвиг создает звуковые удары (см. Ниже). Вот как понять доплеровский сдвиг (вы также можете попробовать этот эксперимент на пустой парковке). Допустим, к вам приближается машина со скоростью 60 миль в час (миль в час) и гудит ее гудок. Вы услышите, как гудок играет одну «ноту», когда машина приближается, но когда машина проезжает мимо вас, звук гудка внезапно переходит на более низкую ноту. Это один и тот же рог, все время издающий один и тот же звук. Слышимое изменение вызвано доплеровским сдвигом.
Вот что происходит. Скорость звука в воздухе на стоянке фиксируется. Для простоты расчета допустим, что это 600 миль в час (точная скорость определяется давлением, температурой и влажностью воздуха). Представьте, что машина стоит на месте, она находится ровно в 1 миле от вас, и ровно одну минуту гудит в клаксон. Звуковые волны из клаксона распространяются от автомобиля к вам со скоростью 600 миль в час. Вы услышите шестисекундную задержку (в то время как звук проходит 1 милю со скоростью 600 миль в час), за которой следует ровно одна минута звука.
Теперь предположим, что машина движется к вам со скоростью 60 миль в час. Он начинается за милю и гудит ровно одну минуту. Вы все равно будете слышать шестисекундную задержку. Однако звук будет воспроизводиться только 54 секунды. Это потому, что машина будет прямо рядом с вами через одну минуту, и звук в конце минуты мгновенно доходит до вас. Автомобиль (с точки зрения водителя) еще одну минуту гудит. Однако из-за того, что машина движется, с вашей точки зрения минутная продолжительность звука упаковывается в 54 секунды. Такое же количество звуковых волн упаковано в меньшее количество времени. Следовательно, их частота увеличивается, а тон рога звучит для вас выше. Когда машина проезжает мимо и уезжает, процесс меняется на противоположный, и звук расширяется, чтобы заполнить больше времени. Следовательно,
Вы можете комбинировать эхо и доплеровский сдвиг следующим образом. Допустим, вы издаете громкий звук в сторону приближающейся к вам машины. Некоторые звуковые волны будут отражаться от автомобиля (эхо). Однако, поскольку автомобиль движется к вам, звуковые волны будут сжиматься. Следовательно, звук эха будет иметь более высокий тон, чем исходный звук, который вы отправили. Если вы измеряете высоту эха, вы можете определить, насколько быстро едет машина.
Ударная волна
Пока мы говорим о звуке и движении, мы также можем понять звуковые удары. Допустим, машина двигалась к вам точно со скоростью звука - 700 миль в час или около того. Автомобиль гудит. Звуковые волны, генерируемые звуковым сигналом, не могут двигаться быстрее скорости звука, поэтому и машина, и звуковой сигнал движутся к вам со скоростью 700 миль в час, поэтому весь звук, исходящий от автомобиля, «накапливается». Вы ничего не слышите, но видите приближающуюся машину. Точно в тот же момент подъезжает и машина, и весь ее звук, и это ГРОМКО! Это звуковой бум.
То же самое происходит, когда лодка движется по воде быстрее, чем волны по воде (волны в озере движутся со скоростью около 5 миль в час - все волны проходят через среду с фиксированной скоростью). Волны, которые генерирует лодка, «складываются» и образуют V-образную носовую волну (след), которую вы видите позади лодки. Носовая волна - это своего рода звуковой удар. Это сложенная комбинация всех волн, созданных лодкой. След образует V-образную форму, а угол V определяется скоростью лодки.
Понимание радара
Слева: Антенны комплекса связи в глубоком космосе Голдстоуна (часть сети дальнего космоса НАСА) помогают обеспечивать радиосвязь межпланетным космическим кораблям НАСА. Справа: РЛС надводного поиска и РЛС воздушного поиска установлены на фок-мачте ракетного эсминца.
Мы видели, что эхо звука можно использовать для определения того, насколько далеко что-то находится, и мы также видели, что мы можем использовать доплеровский сдвиг эха, чтобы определить, насколько быстро что-то происходит. Следовательно, можно создать «звуковой радар», и это именно то, чем является гидролокатор. Подводные лодки и лодки постоянно используют гидролокаторы. Вы можете использовать те же принципы со звуком в воздухе, но со звуком в воздухе есть несколько проблем:
- Звук не распространяется далеко - может быть, самое большее на милю.
- Почти каждый может слышать звуки, поэтому «звуковой радар» обязательно побеспокоит соседей (вы можете устранить большую часть этой проблемы, используя ультразвук вместо слышимого звука).
- Поскольку эхо звука будет очень слабым, вероятно, его будет трудно обнаружить.
Возьмем типичный радар, предназначенный для обнаружения самолетов в полете. Радиолокационная установка включает свой передатчик и излучает короткие высокочастотные радиоволны высокой интенсивности. Всплеск может длиться микросекунду. Затем радар выключает свой передатчик, включает приемник и прослушивает эхо. Радиолокационная установка измеряет время, необходимое для появления эхо-сигнала, а также доплеровский сдвиг эхо-сигнала. Радиоволны распространяются со скоростью света, примерно 1000 футов в микросекунду; поэтому, если радар имеет хорошие высокоскоростные часы, он может очень точно измерить расстояние до самолета. Используя специальное оборудование для обработки сигналов, радар также может очень точно измерять доплеровский сдвиг и определять скорость самолета.
В наземных радарах гораздо больше потенциальных помех, чем в радарах воздушного базирования. Когда полицейский радар выдает импульс, он отражается от самых разных объектов - заборов, мостов, гор, зданий. Самый простой способ удалить весь этот беспорядок - отфильтровать его, признав, что он не имеет доплеровского сдвига. Полицейский радар ищет только сигналы с доплеровским смещением, а поскольку луч радара сильно сфокусирован, он попадает только в одну машину.
Полиция теперь использует лазерную технику для измерения скорости автомобилей. Этот метод называется лидаром, и он использует свет вместо радиоволн. См. Как работают радар-детекторы для получения информации о лидарной технологии.
