Как работает радар | Использование радара

Представьте себе попытку посадить гигантский реактивный самолет размером
с большое здание на короткую полосу взлетно-посадочной полосы, посреди города, глубокой ночью
, в густом тумане. Если вы не видите, куда летите, как вы можете
надеяться на безопасную посадку? Авиадиспетчеры, которые могут помочь пилотам приземлиться, обходят эту трудность с помощью
радара , способа «видения», который использует высокочастотные радиоволны
. Радар был изначально разработан для обнаружения вражеских самолетов во время
Второй мировой войны, но теперь он широко используется во всем, от полицейских
измерителей скорости до прогнозирования погоды. Давайте подробнее рассмотрим,
как он работает!

Фото: Этот гигантский радар-детектор на авиабазе Туле
в Гренландии предназначен для обнаружения приближающихся ядерных ракет. Это
ключевая часть Системы раннего предупреждения о баллистических ракетах США (BMEWS).
Фото Майкла Тольцмана предоставлено
ВВС США.

Что такое радар?

Мы можем видеть объекты в окружающем нас мире, потому что свет (обычно
от Солнца) отражается от них в наши глаза. Если вы хотите идти ночью
, вы можете посветить фонариком вперед, чтобы видеть, куда вы
идете. Луч света выходит из фонарика, отражается от объектов
перед вами и возвращается обратно в ваши глаза. Ваш мозг мгновенно
вычисляет, что это значит: он сообщает вам, насколько далеко находятся объекты, и
заставляет ваше тело двигаться, чтобы вы не спотыкались о вещи.

Радар работает примерно так же. Слово «радар» означает радиообнаружение и определение дальности — и это дает довольно большую подсказку относительно того, что он делает и как он работает. Представьте себе самолет , летящий ночью сквозь густой туман. Пилоты не видят, куда они летят, но они могут общаться с авиадиспетчерами на земле, которые используют радар, чтобы помочь им. Сами пилоты обычно не используют радар как «пилотный прибор» (что-то, что помогает им летать или ориентироваться), но они используют его для отслеживания погоды.

Радар самолета немного похож на фонарик, который использует радиоволны вместо света. Самолет
передает прерывистый луч радара (поэтому он посылает сигнал только часть времени
) и в остальное время «слушает» любые
отражения этого луча от близлежащих объектов. Если отражения обнаружены
, самолет знает, что что-то находится поблизости, и он может использовать время,
необходимое для прибытия отражений, чтобы выяснить, насколько это далеко.
Другими словами, радар немного похож на систему эхолокации
, которую «слепые» летучие мыши используют, чтобы видеть и летать в темноте.

Фото: Этот мобильный радар-грузовик можно перевезти туда,
где он нужен. Антенна наверху вращается, так что она может обнаруживать вражеские
самолеты или ракеты, летящие с любого направления.
Фото Натанаэля Каллона предоставлено
ВВС США.

Как радар использует радио?

Независимо от того, установлен ли радар на самолете, корабле или где-либо еще, ему
необходим один и тот же базовый набор компонентов: что-то для генерации радиоволн
, что-то для отправки их в космос, что-то для
их приема и какие-то средства отображения информации, чтобы оператор радара
мог быстро ее понять.

Радиоволны, используемые радаром, производятся оборудованием, называемым магнетроном. Радиоволны
похожи на световые волны: они распространяются с той же скоростью, но их
волны намного длиннее и имеют гораздо более низкие частоты. Длина световых волн составляет около
500 нанометров (500 миллиардных метра, что примерно в 100–200 раз тоньше человеческого волоса), тогда как радиоволны, используемые радаром, обычно имеют длину от нескольких сантиметров до метра — длину пальца до длины вашей руки — или
примерно в миллион раз длиннее световых волн.

И свет, и радиоволны являются частью электромагнитного спектра,
что означает, что они состоят из флуктуирующих моделей электрической
и магнитной энергии, проносящихся через воздух.
Волны, которые производит магнетрон, на самом деле являются микроволнами, похожими на те, что
генерируются микроволновой печью. Разница
в том, что магнетрон в радаре должен посылать волны на многие
мили, а не на несколько дюймов, поэтому он намного больше и
мощнее.

Фото: Современный цифровой экран радиолокационного обнаружения воздушного пространства SPN-43, часть системы, которую
ВМС США используют для управления воздушным движением на борту десантных кораблей и авианосцев
. Фото Гретхен М. Альбрехт предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

После того, как радиоволны сгенерированы, антенна,
работающая как передатчик , выбрасывает их в
воздух перед собой. Антенна обычно изогнута, чтобы фокусировать волны в
точный узкий луч, но антенны радаров также обычно вращаются, чтобы они
могли обнаруживать движения на большой площади. Радиоволны распространяются
от антенны со скоростью света (186 000 миль или 300 000 км в
секунду) и продолжают движение, пока не врежутся во что-то. Затем некоторые из них
отражаются обратно к антенне в луче отраженных радиоволн, также
движущихся со скоростью света. Скорость волн имеет решающее
значение. Если вражеский реактивный самолет приближается со скоростью более 3000 км/ч
(2000 миль в час),
луч радара должен двигаться намного быстрее, чтобы достичь самолета
, вернуться к передатчику и вовремя включить сигнал тревоги. Это
не проблема, потому что радиоволны (и свет) распространяются достаточно быстро, чтобы
семь раз обогнуть земной шар за секунду! Если вражеский самолет находится на расстоянии 160 км
(100
миль), луч радара может преодолеть это расстояние и вернуться обратно менее
чем за
тысячную долю секунды.

Антенна выполняет функции приемника
и передатчика радара. Фактически, она чередует эти две работы.
Обычно она передает радиоволны в течение нескольких тысячных секунды,
затем слушает отражения в течение нескольких секунд,
прежде чем снова передавать. Любые отраженные радиоволны, принимаемые антенной,
направляются в электронное оборудование
, которое обрабатывает и отображает их в осмысленной форме на
экране, похожем на телевизор, за которым все время наблюдает оператор-человек.
Приемное оборудование отфильтровывает бесполезные отражения от земли,
зданий и т. д., отображая только значимые отражения на
самом экране. Используя радар, оператор может видеть любые ближайшие корабли или
самолеты, где они находятся, как быстро они движутся и куда
направляются. Наблюдение за экраном радара немного похоже на игру в видеоигру
, за исключением того, что пятна на экране представляют собой настоящие самолеты и
корабли, и малейшая ошибка может стоить жизни многим людям.

В радиолокационном аппарате есть еще одна важная часть оборудования
. Она называется дуплексер и заставляет
антенну переключаться между режимами передатчика и
приемника. Когда антенна передает, она не может принимать — и
наоборот. Взгляните на схему в поле ниже, чтобы увидеть, как все
эти части радиолокационной системы соединяются вместе.

Для чего используется радар?

Фото: Ученый настраивает радарную тарелку для отслеживания
метеозондов в небе.
Метеозонды, которые измеряют атмосферные условия, несут
под собой отражающие цели для эффективного отражения радиолокационных сигналов
. Фото предоставлено Министерством энергетики США (Flickr).

Радар по-прежнему наиболее известен как военная технология. Например,
антенны радаров, установленные в аэропортах или других наземных станциях, могут использоваться для обнаружения приближающихся вражеских самолетов или ракет. В Соединенных Штатах имеется очень сложная система раннего предупреждения о баллистических ракетах (BMEWS) для обнаружения приближающихся ракет с тремя основными станциями обнаружения радаров в Клире на Аляске, Туле в Гренландии и Файлингдейлс Мур в Англии. Однако не только военные используют радары. Большинство гражданских самолетов и более крупных судов и кораблей теперь также оснащены радарами. В каждом крупном аэропорту есть огромная сканирующая антенна радара, которая помогает авиадиспетчерам направлять самолеты на посадку и высадку в любую погоду. В следующий раз, когда вы отправитесь в аэропорт, обратите внимание на вращающуюся антенну радара, установленную на диспетчерской вышке или рядом с ней.

Вы, возможно, видели полицейских, использующих радары на обочине дороги,
чтобы обнаружить людей, которые едут слишком быстро. Они основаны на
немного другой технологии, называемой доплеровским радаром .
Вы, вероятно, заметили, что сирена пожарной машины, кажется, понижает высоту звука, когда она проезжает мимо. Когда двигатель
движется к вам, звуковые волны от ее сирены эффективно
сжимаются на более коротком расстоянии, поэтому они имеют более короткую длину волны
и более высокую частоту, которую мы слышим как более высокий тон.
Когда двигатель отъезжает от вас, он работает наоборот
— делает звуковые волны длиннее по длине волны, ниже по
частоте и ниже по тону. Таким образом, вы слышите довольно заметное падение высоты звука сирены в тот самый момент, когда она
проезжает мимо. Это называется эффектом Доплера .

Фото: Радар в действии: камера контроля скорости Gatso, разработанная для того, чтобы водители соблюдали ограничение скорости, изобретенная гонщиком Морисом Гатсонидесом.
Фото сделано в Think Tank, Бирмингем, Англия, компанией Explain that Stuff.

Та же наука работает в радаре-измерителе скорости. Когда полицейский
стреляет лучом радара в вашу машину, металлический кузов отражает
луч обратно. Но чем быстрее едет ваша машина, тем больше она меняет
частоту радиоволн в луче. Чувствительное
электронное оборудование в радаре использует эту информацию для
расчета скорости вашего автомобиля.

Радар имеет множество научных применений. Доплеровский радар также используется в
прогнозировании погоды, чтобы выяснить, как быстро движутся штормы и когда
они, скорее всего, прибудут в определенные города. Фактически,
синоптики посылают лучи радара в облака и используют
отраженные лучи для измерения того, как быстро движется дождь
и как быстро он падает. Ученые используют форму видимого
радара, называемого лидаром (обнаружение света и
определение дальности), для измерения загрязнения воздуха с помощью лазеров. Археологи и геологи направляют
радар вниз в
землю, чтобы изучить состав Земли и найти захороненные отложения,
представляющие исторический интерес.

Фото: Доплеровский радар, входящий в состав WSR-88D (NEXRAD), комплексной сети наблюдения за погодой в США, состоящей примерно из 160 таких станций. Фото Закари Хила предоставлено
ВВС США и DVIDS.

Одно из мест, где радар не используется, — это помощь подводным лодкам в
навигации под водой. Электромагнитные волны нелегко распространяются через плотную морскую воду (вот почему
в глубоком океане темно). Вместо этого подводные лодки используют очень похожую систему, называемую SONAR (Sound Navigation And Ranging), которая использует звук, чтобы «видеть»
объекты, а не радиоволны. Однако у подводных лодок есть радарные системы, которые они могут использовать, перемещаясь по
поверхности океана (например, когда они входят в порт и выходят из него).

Фото: Астронавты НАСА испытывают георадар (GPR) для потенциальных будущих миссий на Луну на имитируемой лунной посадочной площадке. Георадар может исследовать структуру почвы и находить захороненные объекты без необходимости раскопок, что делает его очень полезным для археологических исследований.
Фото Шона Смита предоставлено NASA Langley и
Internet Archive.

Контрмеры: как избежать радаров?

Радар чрезвычайно эффективен в обнаружении вражеских самолетов и кораблей — настолько
, что военным ученым пришлось придумать способ обойти его! Если
у вас есть превосходная радиолокационная система, скорее всего, у вашего врага она тоже есть. Если
вы можете обнаружить его самолеты, он может обнаружить ваши. Так что вам действительно нужны
самолеты, которые могут каким-то образом «спрятаться» внутри радара противника,
не будучи обнаруженными. Технология «стелс» предназначена именно для этого.
Вы, возможно, видели зловещий бомбардировщик-невидимку ВВС США B2.
Его острые, угловатые линии и покрытые металлом окна предназначены для
рассеивания или поглощения лучей радиоволн, чтобы операторы вражеских радаров не могли
их обнаружить. Самолет-невидимка настолько эффективен в этом, что он
появляется на экране радара, имея не больше энергии, чем маленькая птица!

Фото: Необычная зигзагообразная форма в задней части
этого бомбардировщика-невидимки B2 — одна из многих особенностей, разработанных для рассеивания
радиоволн, чтобы самолет
«исчезал» на экранах вражеских радаров. Закругленные передние крылья и
скрытые двигатели и выхлопные трубы также помогают сохранять самолет
невидимым.
Фото Бенни Дж. Дэвиса III предоставлено
ВВС США.

Кто изобрел радар?

Радар можно проследить до устройства под названием Telemobiloskop
(иногда пишется на французский манер, Télémobiloscope ), изобретенного в 1904 году
немецким инженером-электриком Кристианом Хюльсмейером (1881–1957). Услышав
о трагическом столкновении двух кораблей, он придумал способ использовать радиоволны, чтобы помочь им
видеть друг друга в условиях плохой видимости.

Произведение искусства: Радар до радара: Telemobiloskop Кристиана Хюльсмейера опередил
радар более чем на три десятилетия, но по сути имел ту же концепцию. Это произведение искусства основано на рисунке из одного из
патентов Хюльсмейера 1904 года, показывающем, как передающее и принимающее устройство, установленное на одном судне, может использоваться для обнаружения других кораблей поблизости. Лучи — это «волны Герца» — то, что мы сейчас называем радиоволнами — выстреливают из закрепленного на карданном подвесе устройства, которое всегда оставалось вертикальным, несмотря на качающиеся движения моря.

Хотя многие ученые внесли свой вклад в разработку радара,
самым известным среди них был шотландский физик по имени Роберт Уотсон-Уотт
(1892–1973). Во время Первой мировой войны Уотсон-Уотт отправился работать в Метеорологическое бюро Великобритании
(главную организацию страны по прогнозированию погоды
), чтобы помочь им использовать радиоволны для обнаружения приближающихся штормов.

В преддверии Второй мировой войны Уотсон-Уотт и его помощник Арнольд Уилкинс поняли,
что могут использовать разрабатываемую ими технологию для обнаружения
приближающихся вражеских самолетов.
Как только они доказали, что базовое оборудование может работать, они построили
сложную сеть наземных радарных детекторов вокруг
юга и востока британского побережья. Во время войны радарная оборона Великобритании
(известная как Chain Home) дала ей огромное преимущество над
немецкими
военно-воздушными силами и сыграла важную роль в окончательной
победе союзников. Похожая система была разработана в то же время в Соединенных
Штатах и ​​даже смогла обнаружить приближение японских самолетов
над Перл-Харбором на Гавайях в декабре 1941 года, хотя никто не понял
значения стольких приближающихся самолетов, пока не стало слишком
поздно.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Антенны и передатчики
• Лидар
• Микроволны
• Микроволновые печи
• Радио
• Телевидение

Технические книги

• Принципы современной радиолокации: основные принципы,
  Принципы современной радиолокации: передовые методы
  и
  Принципы современной радиолокации: применение радаров Марка А. Ричардса и др. Институт инженерии и технологий, 2010–2014. Вместе они образуют всеобъемлющий трехтомный учебник.
• Принципы радара для неспециалистов Джона К. Тумея, Пола Дж. Ханнена. Springer, 2012. Относительно доступный (но довольно сложный) обзор, не подходящий для обычных читателей-неспециалистов, не имеющих определенной научной или математической подготовки.
• Radar Handbook, автор Merrill Ivan Skolnik. McGraw-Hill, 2007. Охватывает теорию и многие области применения радаров.
• Понимание радиолокационных систем Саймона Кингсли и Шона Куэгана. SciTech, 1999. Теоретические принципы и практическое применение в мирное и военное время.

История радаров

• The Radar Pages: интересный архив о радарах, в частности о их развитии в Великобритании во время Второй мировой войны.
• Королевский радиолокационный институт, 1958 г.: выразительный исторический клип Pathe, показывающий британских ученых, работающих с радиолокационным оборудованием в Королевском радиолокационном институте в Малверне, Англия, в конце 1950-х годов.
• Рождение британского радара Колина Лэтэма, Энн Стоббс. Радиообщество Великобритании, 2012. Подробная история раннего развития радаров.
• История радаров Второй мировой войны: технические и военные императивы Луиса Брауна. Институт физики/Тейлор и Фрэнсис, 1999. Весьма всеобъемлющая техническая история, исследующая, как военные потребности стимулировали развитие радиолокационных технологий, в основном в Великобритании, но также в Германии, Японии и России.
• [PDF] Тактические радары для наземного наблюдения Томаса Г. Брайанта и др., Lincoln Laboratory Journal, том 12, номер 2, 2000 г. Рассматривается развитие современных военных радаров для наблюдения за полем боя с 1960-х годов.
• [PDF] 98 лет принципу радара: изобретатель Кристиан Хюльсмейер, Иоахим Эндер,
  2002. История телемобилоскопа Хюльсмейера, предшественника радара военного времени. [Архивировано через Wayback Machine.]

Статьи

• Позволяет беспилотным автомобилям заглядывать за угол, Бехруз Резвани. IEEE Spectrum, 23 января 2022 г. Как креативное использование радиолокационных диапазонов может сделать беспилотные автомобили безопаснее.
• Как телемобилоскоп проложил путь современным радиолокационным системам Джоанны Гудрич. IEEE Spectrum, 5 ноября 2019 г. Как телемобилоскоп Кристиана Хюльсмейера породил радар, который мы используем сегодня.
• Радарный датчик для дома, который может «видеть» сквозь стены: BBC News, 17 января 2017 г. Система обнаружения рака груди была преобразована в новый вид умного домашнего монитора.
• Метаматериальный радар — именно то, что нужно дронам-доставщикам Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 8 ноября 2016 г. Дронам необходимо точное навигационное оборудование, но как сделать его достаточно маленьким и легким, чтобы они могли его переносить?
• Радар из кофейной банки: как построить систему формирования изображений с синтетической апертурой из консервных банок и батареек АА Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 1 ноября 2012 г. Как построить собственный радар слежения за объектами из повседневных предметов и программного обеспечения с открытым исходным кодом!
• 26 февраля 1935 г.: Радар — изобретение, спасшее Британию, Тони Лонг. Wired, 26 февраля 2008 г. Краткое введение в работу сэра Роберта Уотсона-Уотта.
• Ветераны секретного подразделения чествуют своего героя войны: радар Анахад О’Коннор. The New York Times, 10 сентября 2002 г. Исследует вклад Северной Америки в историю радаров военного времени.

Патенты

Хотите узнать больше подробностей? Это лишь малая часть из множества патентов, охватывающих некоторые из рассмотренных выше радарных технологий:

• Патент Великобритании 190425608A: Улучшение в Герцевом-волновом проецирующем и принимающем аппарате для определения положения удаленных металлических объектов Кристиана Хюльсмейера, 23 марта 1905 г. Один из ранних патентов Хюльсмейера на радары и единственный на английском языке, который мне удалось найти в сети. Есть более ранний патент GB13,170, выданный 22 сентября 1904 г., под названием «Герцевый-волновой проецирующий и принимающий аппарат, адаптированный для указания или предупреждения о наличии металлического тела, такого как корабль или поезд, в линии проекции таких волн».
• Патент США 1,639,667: Метод определения местоположения по радио, Ричард Х. Рейнджер, RCA Corp, 23 августа 1927 г. Раннее применение радара в навигации.
• Патент США 3,831,173: Наземная радиолокационная система Роберта Лернера, Массачусетский технологический институт, 20 августа 1974 г. Описание геодара (обнаружение и измерение дальности эхо-сигналов от грунта), типа георадара, разработанного в Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института в середине 1960-х годов для обнаружения туннелей во время войны во Вьетнаме.
• Европейский патент EP0621573A1: Метод и устройство для измерения скорости, Том Гатсонидес, Gatsometer BV, 26 октября 1994 г. Описывает усовершенствованную версию измерения скорости радаром Gatso, разработанную для того, чтобы сбивать с толку водителей с помощью радар-детекторов.
• Патент США 6,091,355: Доплеровский радарный измеритель скорости, Роланд Кадотт-младший, Speed ​​Products, Inc., 18 июля 2000 г. Типичный доплеровский радар измерения скорости.
• Патент США 7,109,913: Бортовая метеорологическая радиолокационная система и радиолокационный дисплей, автор Стив Парамор и др., Rockwell Collins, 19 сентября 2006 г. Система обнаружения и оповещения о штормах, которая может использоваться на борту самолета.