Как работает радар?

Автор статьи Акаш Пешин

В последней четверти XIX века Генрих Герц доказал, что Джеймс Клерк Максвелл был, по сути, прав. Он продемонстрировал, как и предположил Максвелл в своей теории электромагнетизма, что существуют таинственные энергетические волны, пронизывающие нашу Вселенную, которые, в отличие от света, не могут быть обнаружены невооруженным глазом. Это были электромагнитные волны, а видимый свет был их частным случаем.

Как работает радар?
Свет — это электромагнитная волна (источник фото: Pixels)

В серии своих необычных экспериментов он также продемонстрировал, что эти волны могут быть отражены объектами, которые проводят электричество, подобно металлам. Когда его спросили как практически применять его открытия, Герц мрачно ответил: «Никак, я думаю». Однако мало кто знал, что они в конечном итоге легли в основу всех современных технологий. Радар — одна из них.

Обнаружение и изменение радиосигнала

Радар — это аббревиатура составленная из слов радиодетектирование и радиоизмерение (Radio Detection And Ranging) или радионаправление и радиоизмерение (Radio Direction And Ranging); однако слово теперь используется как существительное и поэтому редко записывается в верхнем регистре. Радар, как следует из названия, представляет собой беспроводную технологию, которая использует радиоволны для определения направления, скорости, формы, дальности и других характеристик удаленных объектов.

Самое раннее использование радиоволн для обнаружения объекта было зафиксировано ещё до начала 20-го века, когда физик Александр Попов заметил, что радиоволны, передаваемые между двумя кораблями для связи, будут прерваны прохождением другого корабля между ними. Тогда стало понятно, что радиоволны могут быть использованы для обнаружения корабля, затерянного в густом тумане. Но это все, что могла сделать эта новая технология: её применение ограничивалось только обнаружением объекта, но не измерением расстояния от объекта до передатчика.

Как работает радар?
Источник фото: RF Cafe

Сегодня технологии настолько продвинулись, что мы можем не только обнаружить присутствие объекта, но и расстояние до него, форму, размер и скорость его движения. Механизм определения расстояния очень прост: передатчик излучает радиоволны в коротких или длинных импульсах по направлению к объекту. Объект поглощает некоторую часть энергии радиоволн и отражает остальную часть обратно.

Приемник принимает отраженный радиосигнал и измеряет время, прошедшее с момента передачи. Расстояние вычисляется путем умножения скорости распространения волн, которую мы уже знаем, на половину прошедшего времени. Мы делим время на пополам потому, что волны проходят расстояние два раза (по направлению к объекту и от него).

Как работает радар?

Однако процесс определения других характеристик объекта, скажем, его формы, несколько сложнее. Возьмем, например, определение скорости объекта. Это сложно сделать, потому что частота сигнала, отраженного движущимся объектом, варьируется в зависимости от того, движется ли он к нам или от нас. Другими словами, мы должны учитывать эффект Допплера, тот же эффект, благодаря которому звук сирены приближающейся машины становится все громче и громче, и тише, когда она уезжает от нас. Тем не менее, разрешающая способность теперь настолько огромна, что радар может идентифицировать что-то маленькое и неуловимое, как например летающую булочку, за несколько километров.

Ограничения

Однако такое ошеломляющее разрешение возможно добиться ценой ослабления сигнала. Разрешение увеличивается с уменьшением длины волны. Это связано с тем, что волна может отразиться от объекта и, следовательно, обнаружить его, если размер объекта сравним с длиной волны. Радиоволна с большей длиной волны просто пропустит небольшой объект.

С другой стороны, во время своего путешествия короткая или высокочастотная электромагнитная волна имеет тенденцию терять свою силу с большей скоростью, чем волны с высокой длиной волны или низкочастотные волны. Другими словами, затухание и длина волны имеют обратную зависимость, а это означает, что должен быть достигнут компромисс между затуханием и разрешающей способностью. Итак, чтобы свести к минимуму потерю мощности, мы можем измерить объект с большой погрешностью, или мы можем идентифицировать булочку с огромной потерей мощности.

Как работает радар?
Источник фото: Mssid/Wikipedia Commons

Эту же обратную зависимость, мы используем для беспроводной связи. Радиоволны самых низких частот во всем электромагнитном спектре, могут быть наименее ослаблены и поэтому могут распространяться на самые дальние расстояния. Этих расстояний нельзя достичь с помощью высокочастотных волн, таких как ультрафиолетовые или рентгеновские лучи.

Другой компромисс должен быть сделан между мощностью и диапазоном. При увеличении дальности действия радиолокатора требуемая мощность растет в соответствие со степенями 4-ки! Итак, чтобы просто удвоить диапазон, мы должны увеличить мощность передатчика в шестнадцать раз! Затем инженеры согласуют эти параметры и разрабатывают определенный тип радара для конкретного применения.

В зоне покрытия радара

Большинство людей представляют радар как зеленый циферблат со значками, установленный на приборной панели каждого самолета, без которого не может обойтись ни один военный фильм. Циферблат отображает жирные белые точки, называемые бликами, падающие к центру, сигнализирующие, что ракета или враг приближаются все ближе.

Как работает радар?

Радар был разработан, чтобы обнаруживать корабли, затерянные в густом тумане, но его способность к обнаружению в результате двух войн была использована для обнаружения «целей» как на суше, так на море и в воздухе. Естественно, вскоре начали искать новые способы делать эти цели незаметными.

Объект будет отражать радиоволны, если, как открыл Герц, он проводит электричество. Вот почему самолеты из алюминия намного легче обнаруживаются всеми враждующими сторонами, а в случае невоенных самолетов — самолетами следящими за трафиком. Чтобы быть менее заметным, стоит летать в неметаллических самолетам. Это могут быть и самолеты из дерева, как в 1930-х годах, или из углеродного волокна, как многие самолеты сейчас.

Инженеры разрабатывают машины-невидимки оригинально и изобретательно. Они либо делают геометрию самолета такой, чтобы отражать радиоволны беспорядочно, либо, по крайней мере, вне сферы охвата приемника, или они строят самолет из композитных материалов или из материалов, которые поглощают большую часть волн, из-за чего самолет отражает гораздо меньше энергии, чем это необходимо для адекватного обнаружения. Тогда на таких самолетах можно летать «под радарами».

Как работает радар?

Радар — это технология прямой видимости; передатчик излучает конус радиоволн и обнаруживает те объекты, которые попадают в него. Однако земля круглая, а стороны конуса неизменны, что означает, что они не могут правильно отследить искривленную поверхность земли. Самолет может летать незамеченным, пролетая ниже этого конуса или под радаром, около горизонта! Строгие границы сторон конуса также не могут охватить внезапные перепады на местности, поэтому самолет может летать незаметно в тени возвышенностей.

Как работает радар?

Конечно, военные цели — это не единственное применение, для радара. Хотя он по-прежнему используется для обнаружения кораблей, он также помогает в навигации и предотвращении столкновений, геологи используют его для сопоставления структуры земной коры, полиция использует его для отслеживания транспортных средств, он лежит в основе технологии мобильных телефонов и большинства беспроводных коммуникационных технологий, и в основе одного из самых важных изобретений человечества: автоматической двери.

Анастасия Савченко
Анастасия Савченко
Редактор, переводчик, сценарист. "Я многое умею. И уверенна, что могу научится делать гораздо больше."