Operation Specialist 2nd Class Gilbert Lundgren driver radarutrustning i kampinformationscentret i USS Carney. Foto med tillstånd av försvarsdepartementet Radar är något som används runt omkring oss, även om det normalt är osynligt. Flygtrafikledning använder radar för att spåra flygplan både på marken och i luften, och även för att styra in plan för smidiga landningar. Polisen använder radar för att upptäcka hastigheten för att passera bilister. NASA använder radar för att kartlägga jorden och andra planeter, att spåra satelliter och rymdskräp och för att hjälpa till med saker som dockning och manövrering. Militären använder den för att upptäcka fienden och för att styra vapen.
Meteorologer använder radar för att spåra stormar, orkaner och tornado. Du ser till och med en radarform i många livsmedelsbutiker när dörrarna öppnas automatiskt! Självklart, radar är en extremt användbar teknik.
När människor använder radar, de försöker vanligtvis åstadkomma en av tre saker:
Alla dessa tre aktiviteter kan utföras med två saker du kanske känner till från vardagen: eko och Doppler skift . Dessa två begrepp är lätta att förstå inom ljudområdet eftersom dina öron hör eko och Doppler skiftar varje dag. Radar använder samma tekniker med radiovågor.
I den här artikeln, Vi kommer att avslöja radars hemligheter. Låt oss titta på ljud version först, eftersom du redan är bekant med detta koncept.
Innehåll
Eko är något man upplever hela tiden. Om du ropar in i en brunn eller en kanjon, ekot kommer tillbaka en stund senare. Ekot uppstår eftersom några av ljudvågorna i ditt skrik reflekterar från en yta (antingen vattnet i brunnens botten eller kanjonväggen på bortre sidan) och reser tillbaka till dina öron. Tiden mellan det ögonblick du ropar och det ögonblick du hör ekot bestäms av avståndet mellan dig och ytan som skapar ekot.
Beräkna djup med eko
När du skriker i en brunn, ljudet av ditt rop färdas ner i brunnen och reflekteras (ekar) från vattenytan vid botten av brunnen. Om du mäter den tid det tar för ekot att återvända och om du känner till ljudets hastighet, Du kan beräkna brunnens djup ganska exakt.
Dopplerskift:Personen bakom bilen hör en lägre ton än föraren eftersom bilen rör sig bort. Personen framför bilen hör en högre ton än föraren eftersom bilen närmar sig. Doppler skift är också vanligt. Du upplever det förmodligen dagligen (ofta utan att inse det). Doppler skift sker när ljud genereras av, eller reflekteras av, ett föremål i rörelse. Doppler skift i det extrema skapar soniska bommar (se nedan). Så här förstår du Doppler -skift (du kanske också vill testa detta experiment på en tom parkeringsplats). Låt oss säga att det är en bil som kommer mot dig i 60 miles per timme (mph) och dess horn bråkar. Du kommer att höra hornet spela en "lapp" när bilen närmar sig, men när bilen passerar dig kommer ljudet av hornet plötsligt att flyttas till en lägre ton. Det är samma horn som ger samma ljud hela tiden. Ändringen du hör orsakas av Doppler -skift.
Här är vad som händer. De ljudets hastighet genom luften på parkeringen är fixad. För enkelhetens beräkning, låt oss säga att det är 600 mph (den exakta hastigheten bestäms av lufttrycket, temperatur och luftfuktighet). Tänk att bilen står still, det är exakt 1 mil från dig och det tuttar i sitt horn i exakt en minut. Ljudvågorna från hornet kommer att sprida sig från bilen mot dig med en hastighet av 600 mph. Det du kommer att höra är en sexsekunders fördröjning (medan ljudet färdas 1 mil vid 600 mph) följt av exakt en minuts ljudvärde.
Låt oss nu säga att bilen rör sig mot dig i 60 mph. Det börjar från en mil bort och tuttar på det i exakt en minut. Du kommer fortfarande att höra den sex sekunder långa fördröjningen. Dock, ljudet spelas bara i 54 sekunder. Det beror på att bilen kommer att ligga bredvid dig efter en minut, och ljudet i slutet av minuten kommer direkt till dig. Bilen (ur förarens perspektiv) skakar fortfarande i hornet i en minut. Eftersom bilen rör sig, dock, minutens ljudvärde packas in på 54 sekunder ur ditt perspektiv. Samma antal ljudvågor packas in på en mindre tid. Därför, deras frekvens ökar, och hornens ton låter högre för dig. När bilen passerar dig och går bort, processen är omvänd och ljudet expanderar för att fylla mer tid. Därför, tonen är lägre.
Du kan kombinera eko och doppler skift på följande sätt. Säg att du skickar ett högt ljud mot en bil som rör dig mot dig. Några av ljudvågorna studsar av bilen (ett eko). Eftersom bilen rör sig mot dig, dock, ljudvågorna kommer att vara komprimerad . Därför, ljudet av ekot kommer att ha en högre tonhöjd än det ursprungliga ljudet du skickade. Om du mäter ekoläget, du kan avgöra hur snabbt bilen går.
Sonic BoomMedan vi är här om ämnet ljud och rörelse, vi kan också förstå soniska bommar. Säg att bilen rörde sig mot dig med exakt ljudets hastighet - 700 mph eller så. Bilen blåser i sitt horn. Ljudvågorna som genereras av hornet kan inte gå snabbare än ljudets hastighet, så både bilen och hornet kommer mot dig i 700 mph, så allt ljud som kommer från bilen "staplar upp". Du hör ingenting, men du kan se bilen närma sig. I exakt samma ögonblick kommer bilen, så gör allt dess ljud och det är HÖGT! Det är en sonisk boom.
Samma fenomen händer när en båt färdas genom vatten snabbare än vågor färdas genom vattnet (vågor i en sjö rör sig med en hastighet av kanske 5 mph - alla vågor färdas genom deras medium med en fast hastighet). Vågorna som båten genererar "staplar upp" och bildar den V-formade bågvåg (wake) som du ser bakom båten. Bogvågan är verkligen en slags sonisk boom. Det är den staplade kombinationen av alla vågor båten har genererat. Vaket bildar en V -form, och vinkeln på V styrs av båtens hastighet.
Läs mer
Vänster:Antenner vid Goldstone Deep Space Communications Complex (en del av NASA:s Deep Space Network) hjälper till att tillhandahålla radiokommunikation för NASA:s interplanetära rymdfarkoster. Höger:Yttersökningsradar och luftsökningsradar är monterade på förmasten för en guidad missilförstörare. Foto med tillstånd av NASA (vänster), Försvarsdepartementet (höger) Vi har sett att ekot av ett ljud kan användas för att avgöra hur långt bort något är, och vi har också sett att vi kan använda Doppler -skiftet i ekot för att avgöra hur snabbt något går. Det är därför möjligt att skapa en "ljudradar, "och det är precis vad ekolod är. Ubåtar och båtar använder ekolod hela tiden. Du kan använda samma principer med ljud i luften, men ljud i luften har ett par problem:
Radar använder därför radiovågor istället för ljud. Radiovågor reser långt, är osynliga för människor och är lätta att upptäcka även när de är svaga.
Låt oss ta en typisk radarsats som är utformad för att upptäcka flygplan under flygning. Radarsatsen slår på sin sändare och skjuter ut en kort, högintensitetsutbrott av högfrekventa radiovågor. Skuren kan pågå en mikrosekund. Radarsatsen stänger sedan av sin sändare, slår på mottagaren och lyssnar efter ett eko. Radarsatsen mäter den tid det tar för ekot att komma fram, såväl som ekoloppets Doppler -skift. Radiovågor färdas med ljusets hastighet, ungefär 1, 000 fot per mikrosekund; så om radarsatsen har en bra höghastighetsklocka, det kan mäta flygplanets avstånd mycket exakt. Med hjälp av särskild signalbehandlingsutrustning, radarsatsen kan också mäta Doppler -skiftet mycket exakt och bestämma flygplanets hastighet.
I markbaserad radar, det finns mycket mer potentiell störning än i luftbaserad radar. När en polisradar skjuter ut en puls, det ekar av alla möjliga föremål - staket, broar, berg, byggnader. Det enklaste sättet att ta bort allt sådant rör är att filtrera bort det genom att inse att det inte är Doppler-skiftat. En polisradar letar bara efter Doppler-skiftade signaler, och eftersom radarstrålen är tätt fokuserad träffar den bara en bil.
Polisen använder nu en laserteknik för att mäta bilarnas hastighet. Denna teknik kallas lidar , och det använder ljus istället för radiovågor. Se hur radardetektorer fungerar för information om lidarteknik.
