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科学:雷达的管事道理

日期:2019-10-07 17:28 来源: 雷达

  导语:雷达是我们周围使用的东西,虽然它通常是看不见的。空中交通管制使用雷达来追踪飞机都在地面和空中,并引导飞机在着陆平稳。警方使用雷达探测通过驾驶者的速度。美国宇航局使用雷达来绘制地球和其他行星的地图,跟踪卫星和空间碎片,并帮助进行对接和机动等操作。军方用它来探测敌人并引导武器。气象学家使用雷达跟踪风暴,飓风和龙卷风。当门自动打开时,您甚至会在许多杂货店看到一种雷达形式!显然,雷达是一种非常有用的技术。

  当人们使用雷达时,他们通常会尝试完成以下三件事之一:检测远处物体的存在 - 通常“某物”在移动,就像飞机一样,但雷达也可用于探测埋在地下的静止物体。在某些情况下,雷达也可以识别物体; 例如,它可以识别它检测到的飞机类型。检测物体的速度,这就是警察使用雷达的原因。地图上的东西,航天飞机和轨道卫星使用一种叫做合成孔径雷达的东西来创建行星和卫星表面的详细地形图。

  所有这三项活动都可以使用您在日常生活中熟悉的两件事来完成:回声和多普勒频移。这两个概念在声音领域很容易理解,因为你的耳朵每天都会听到回声和多普勒频移。雷达利用无线电波使用相同的技术。在本文中,我们将揭示雷达的秘密。让我们先看看声音版本,因为您已经熟悉了这个概念。Echo是您经常体验的东西。如果你对井或峡谷大喊大叫,那么回声会在一瞬间回来。回声的发生是因为你的喊声中的一些声波反射出一个表面(井底的水或远处的峡谷壁)并回到你的耳朵。你喊叫的那一刻和听到回声的那一刻之间的时间长度取决于你和创造回声的表面之间的距离。

  多普勒频移:汽车后面的人听到的声音低于司机,因为汽车正在移动。因为汽车正在驶近,所以汽车前面的人听到比驾驶员更高的音调。多普勒频移也很常见。您可能每天都会遇到它(通常没有意识到)。当声音由移动物体产生或反射时,会发生多普勒频移。极端的多普勒频移创造了音爆(见下文)。以下是了解多普勒频移的方法(您可能还想在空旷的停车场尝试这个实验)。假设有一辆汽车以每小时60英里(英里/小时)的速度驶向你,它的喇叭声响亮。当汽车接近时,你会听到喇叭播放一个“音符”,但是当汽车经过时,喇叭的声音会突然转移到较低音符。它是同一个发出同样声音的喇叭。您听到的变化是由多普勒频移引起的。

  这是发生了什么。在声音的速度通过在停车场的空气是固定的。为简化计算,假设它的速度为600英里/小时(确切的速度取决于空气的压力,温度和湿度)。想象一下,这辆车静止不动,距离你只有1英里,它只需要一分钟就能完成它的号角。来自号角的声波将以600英里/小时的速度从汽车向你传播。您将听到的是延迟6秒(声音以600英里/小时的速度传播1英里),接着是一分钟的声音。

  现在让我们说汽车以60英里/小时的速度向你移动。它从一英里远的地方开始,只需一分钟即可开启它的号角。你仍会听到六秒钟的延迟。但是,声音只能播放54秒。那是因为一分钟后汽车就在你旁边,而一分钟结束时的声音瞬间就会传到你身边。这辆车(从司机的角度来看)仍然响起一分钟的号角。然而,因为汽车正在移动,从您的角度来看,分钟的声音会被打包到54秒。相同数量的声波被填充到较短的时间内。因此,它们的频率增加,喇叭的音调听起来更高。当汽车经过你并离开时,过程反转,声音扩大,以填补更多时间。

  因此,您可以通过以下方式组合回声和多普勒频移。假设你向一辆向你走来的汽车发出响亮的声音。一些声波将从汽车反弹(回声)。但是,由于汽车正向您移动,声波将被压缩。因此,回声的声音将比您发送的原始声音具有更高的音高。如果您测量回波的音高,您可以确定汽车行驶的速度。我们已经看到声音的回声可用于确定某物的距离,我们还看到我们可以使用回声的多普勒频移来确定物体的速度。因此可以创建一个“声音雷达”,这正是声纳的原因。潜艇和船只一直使用声纳。您可以在空中使用相同的声音原理,但空中声音有几个问题:声音不会走得很远,最多可能是一英里。几乎每个人都可以听到声音,所以“声音雷达”肯定会打扰邻居(你可以通过使用超声波而不是可听声音消除大部分问题)。因为声音的回声会很微弱,所以很难检测到。因此,雷达使用无线电波而不是声音。无线电波传播很远,对人类是不可见的,即使在它们微弱时也很容易被发现。

  我们来看一个典型的雷达装置,用于探测飞行中的飞机。雷达设备打开发射器,射出短时间,高强度的高频无线电波。爆发可能持续一微秒。然后雷达设备关闭其发射器,打开其接收器并侦听回声。雷达组测量回波到达所需的时间,以及回波的多普勒频移。无线电波以光速传播,大约每微秒1000英尺; 因此,如果雷达组具有良好的高速时钟,它可以非常准确地测量飞机的距离。

  总结:使用特殊的信号处理设备,雷达组还可以非常精确地测量多普勒频移并确定飞机的速度。在地面雷达中,潜在的干扰远远大于空基雷达。当警察的雷达射出一个脉冲时,它会从各种物体 - 围栏,桥梁,山脉,建筑物中回响。消除所有这种混乱的最简单方法是通过识别它不是多普勒频移来过滤掉它。警用雷达仅查看多普勒频移信号,并且由于雷达波束紧密聚焦,因此只能击中一辆汽车。警方现在正在使用激光技术来测量汽车的速度。这种技术被称为激光雷达,它使用光而不是无线电波。有关激光雷达技术的信息,请参见雷达探测器的工作原理。

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