Wie Funktioniert Radar?

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Radar wird verwendet, um stürme, flugzeuge und waffen zu verfolgen und topografische karten zu erstellen. Erfahren sie mehr über radar, radartechnologie und doppler-verschiebung.

Radar ist etwas, das um uns herum im Gebrauch ist, obwohl es normalerweise unsichtbar ist. Die Flugverkehrskontrolle verwendet Radar, um Flugzeuge sowohl am Boden als auch in der Luft zu verfolgen, und um Flugzeuge für glatte Landungen einzuleiten. Die Polizei verwendet Radar, um die Geschwindigkeit von vorbeifahrenden Autofahrern zu ermitteln. Die NASA verwendet Radar, um die Erde und andere Planeten zu kartieren, um Satelliten und Weltraummüll aufzuspüren und um Dinge wie Andocken und Manövrieren zu unterstützen. Das Militär nutzt es, um den Feind aufzuspüren und die Waffen zu führen.

Meteorologen verwenden Radar, um Stürme, Wirbelstürme und Tornados zu verfolgen. Sie sehen sogar eine Art Radar in vielen Lebensmittelgeschäften, wenn sich die Türen automatisch öffnen! Radar ist offensichtlich eine äußerst nützliche Technologie.

Wenn Menschen Radar verwenden, versuchen sie normalerweise, eine von drei Dingen zu erreichen:

  • Erkennen Sie die Anwesenheit eines Objekts aus einiger Entfernung - Normalerweise bewegt sich das "Etwas" wie ein Flugzeug, aber Radar kann auch verwendet werden, um stationäre Objekte zu erkennen, die unter der Erde vergraben sind. In einigen Fällen kann ein Radar auch ein Objekt identifizieren. Beispielsweise kann es den erkannten Flugzeugtyp identifizieren.
  • Ermitteln Sie die Geschwindigkeit eines Objekts - Deshalb setzt die Polizei Radar ein.
  • Map etwas - Der Space-Shuttle und die umkreisenden Satelliten verwenden etwas, das als bezeichnet wird Radar mit synthetischer Apertur detaillierte topographische Karten der Oberfläche von Planeten und Monden erstellen.

Alle drei dieser Aktivitäten können mit zwei Dingen ausgeführt werden, die Sie aus dem Alltag kennen: Echo und Doppler-Verschiebung. Diese beiden Konzepte sind im Klangbereich leicht zu verstehen, da Ihre Ohren täglich Echo und Doppler-Verschiebung hören. Radar verwendet die gleichen Techniken unter Verwendung von Funkwellen.

In diesem Artikel werden Radar-Geheimnisse aufgedeckt. Schauen wir uns das an klingen Version zuerst, da Sie mit diesem Konzept bereits vertraut sind.

Echo

Wie funktioniert Radar?: funktioniert

Echo ist etwas, was Sie die ganze Zeit erleben. Wenn Sie in einen Brunnen oder eine Schlucht schreien, kommt das Echo einen Moment später zurück. Das Echo tritt auf, weil einige der Schallwellen in Ihrem Ruf von einer Oberfläche reflektiert werden (entweder das Wasser am Boden des Brunnens oder die Canyonwand auf der anderen Seite) und zu Ihren Ohren zurückkehren. Die Zeitdauer zwischen dem Moment, in dem Sie schreien, und dem Moment, in dem Sie das Echo hören, wird durch die Entfernung zwischen Ihnen und der Oberfläche bestimmt, die das Echo erzeugt.

Berechnung der Tiefe mit Echo

Wenn Sie in einen Brunnen schreien, erklingt der Klang Ihres Schreies den Brunnen hinunter und wird von der Wasseroberfläche am Boden des Brunnens reflektiert (Echos). Wenn Sie die Zeit messen, die das Echo für die Rückkehr benötigt, und wenn Sie die Schallgeschwindigkeit kennen, können Sie die Tiefe des Schachts ziemlich genau berechnen.

Doppler-Verschiebung

Dopplerverschiebung: Die Person hinter dem Auto hört einen tieferen Ton als der Fahrer, weil sich das Auto wegbewegt. Die Person vor dem Auto hört einen höheren Ton als der Fahrer, weil sich das Auto nähert.

Dopplerverschiebung: Die Person hinter dem Auto hört einen tieferen Ton als der Fahrer, weil sich das Auto wegbewegt. Die Person vor dem Auto hört einen höheren Ton als der Fahrer, weil sich das Auto nähert.

Doppler-Verschiebung ist auch üblich. Sie erleben es wahrscheinlich täglich (oft ohne es zu merken). Die Dopplerverschiebung tritt auf, wenn der Ton von einem sich bewegenden Objekt erzeugt oder reflektiert wird. Dopplerverschiebung im Extrem schafft Schallbooms (siehe unten). So verstehen Sie die Doppler-Verschiebung (Sie können dieses Experiment auch auf einem leeren Parkplatz ausprobieren). Nehmen wir an, ein Auto kommt mit einer Geschwindigkeit von 60 Meilen pro Stunde auf Sie zu und sein Horn brummt. Sie hören das Horn eine "Note" spielen, wenn sich das Auto nähert, aber wenn das Auto an Ihnen vorbeifährt, wird der Klang der Hupe plötzlich zu einer niedrigeren Note verschoben. Es ist das gleiche Horn, das die ganze Zeit den gleichen Ton erzeugt. Die Änderung, die Sie hören, wird durch die Doppler-Verschiebung verursacht.

Hier ist was passiert. Das Schallgeschwindigkeit durch die luft ist der parkplatz fixiert. Um die Berechnung zu vereinfachen, lassen Sie uns sagen, dass es 600 Meilen pro Stunde ist (die genaue Geschwindigkeit wird durch den Luftdruck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit bestimmt). Stellen Sie sich vor, das Auto steht still, es ist genau 1 Meile von Ihnen entfernt und es fährt genau eine Minute lang mit der Hupe. Die Schallwellen des Horns breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 600 Meilen pro Stunde aus. Was Sie hören werden, ist eine Verzögerung von sechs Sekunden (während der Sound eine Meile mit 600 Meilen pro Stunde durchläuft), gefolgt von genau einer Minute Sound.

Nehmen wir jetzt an, dass sich das Auto mit 60 Meilen pro Stunde auf Sie zu bewegt. Es fängt von einer Meile entfernt an und bringt es für genau eine Minute zum Horn. Sie hören immer noch die Verzögerung von sechs Sekunden. Der Ton wird jedoch nur 54 Sekunden lang abgespielt. Das liegt daran, dass das Auto nach einer Minute direkt neben Ihnen ist und das Geräusch am Ende der Minute sofort zu Ihnen kommt. Das Auto (aus der Sicht des Fahrers) hupt noch eine Minute lang. Da sich das Auto jedoch bewegt, ist der Tonwert der Minute aus Ihrer Perspektive in 54 Sekunden komprimiert. Die gleiche Anzahl von Schallwellen wird in weniger Zeit gepackt. Daher wird ihre Frequenz erhöht und der Ton des Horns klingt für Sie höher. Wenn das Auto an Ihnen vorbeifährt und wegfährt, wird der Vorgang umgekehrt und der Klang dehnt sich aus, um mehr Zeit zu füllen. Daher ist der Ton niedriger.

Sie können Echo- und Doppler-Verschiebung auf folgende Weise kombinieren. Angenommen, Sie senden ein lautes Geräusch in Richtung eines Autos, das sich Ihnen nähert. Einige Schallwellen prallen vom Auto ab (ein Echo). Da sich das Auto jedoch auf Sie zu bewegt, sind die Schallwellen komprimiert. Der Ton des Echos hat daher eine höhere Tonhöhe als der Originalton, den Sie gesendet haben. Wenn Sie die Tonhöhe des Echos messen, können Sie bestimmen, wie schnell das Auto fährt.

Überschallknall

Während wir hier beim Thema Klang und Bewegung sind, können wir auch Schallbooms verstehen. Angenommen, das Auto bewegte sich genau mit der Schallgeschwindigkeit auf Sie zu - etwa 200 km / h. Das Auto bläst sein Horn. Die Schallwellen, die durch das Horn erzeugt werden, können nicht schneller als die Schallgeschwindigkeit sein, so dass sowohl das Auto als auch das Horn mit 700 Meilen pro Stunde auf Sie zukommen, so dass der gesamte Ton, der vom Auto kommt, "stapelt". Sie hören nichts, aber Sie können sehen, wie sich das Auto nähert. In genau dem gleichen Moment kommt das Auto an, der gesamte Sound und es ist LAUT! Das ist ein Schallboom.

Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn ein Boot schneller durch Wasser fährt als Wellen durch das Wasser wandern (Wellen in einem See bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von vielleicht 5 Meilen pro Stunde - alle Wellen durchlaufen ihr Medium mit einer festen Geschwindigkeit). Die Wellen, die das Boot erzeugt, "stapeln" sich und bilden die V-förmige Bugwelle, die Sie hinter dem Boot sehen. Die Bugwelle ist wirklich eine Art Schallboom. Es ist die gestapelte Kombination aller Wellen, die das Boot erzeugt hat. Der Nachlauf bildet eine V-Form, und der Winkel des V wird von der Bootsgeschwindigkeit gesteuert.

Radar verstehen

Links: Antennen im Goldstone Deep Space Communications Complex (Teil des Deep Space Network der NASA) unterstützen die Funkkommunikation der interplanetaren Raumsonden der NASA. Rechts: Das Oberflächensuchradar und das Luftsuchradar sind auf dem Vormast eines Lenkwaffenzerstörers montiert.

Links: Antennen im Goldstone Deep Space Communications Complex (Teil des Deep Space Network der NASA) unterstützen die Funkkommunikation der interplanetaren Raumsonden der NASA. Rechts: Das Oberflächensuchradar und das Luftsuchradar sind auf dem Vormast eines Lenkwaffenzerstörers montiert.

Wir haben gesehen, dass das Echo eines Klangs verwendet werden kann, um zu bestimmen, wie weit etwas entfernt ist, und wir haben auch gesehen, dass wir die Doppler-Verschiebung des Echos verwenden können, um zu bestimmen, wie schnell etwas geht. Es ist daher möglich, ein "Tonradar" zu erstellen, und genau das ist es Sonar ist. U-Boote und Boote verwenden ständig Sonar. Sie können die gleichen Prinzipien mit dem Klang in der Luft verwenden, aber der Klang in der Luft hat einige Probleme:

  • Der Klang ist nicht sehr weit - vielleicht höchstens eine Meile.
  • Fast jeder kann Töne hören, daher würde ein "Soundradar" die Nachbarn definitiv stören (Sie können das meiste dieses Problems durch den Einsatz von Ultraschall anstelle von hörbarem Ton beseitigen).
  • Da das Echo des Klangs sehr schwach ist, ist es wahrscheinlich, dass es schwer zu erkennen ist.

Radar verwendet daher Radiowellen anstelle von Ton. Funkwellen breiten sich weit aus, sind für den Menschen unsichtbar und auch bei Ohnmacht leicht zu erkennen.

Nehmen wir ein typisches Radargerät, das Flugzeuge erkennen soll. Das Radargerät schaltet seinen Sender ein und schießt einen kurzen Hochfrequenzstoß hochfrequenter Radiowellen aus. Der Burst kann eine Mikrosekunde dauern. Das Radargerät schaltet dann den Sender aus, schaltet den Empfänger ein und wartet auf ein Echo. Das Radarset misst die Zeit bis zum Eintreffen des Echos sowie die Dopplerverschiebung des Echos. Radiowellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, ungefähr 1.000 Fuß pro Mikrosekunde; Wenn das Radarset also eine gute Hochgeschwindigkeitsuhr hat, kann es die Entfernung des Flugzeugs sehr genau messen. Mit speziellen Signalverarbeitungsgeräten kann das Radarset auch die Dopplerverschiebung sehr genau messen und die Geschwindigkeit des Flugzeugs bestimmen.

Bei bodengestütztem Radar gibt es viel mehr mögliche Interferenzen als bei luftgestütztem Radar. Wenn ein Polizeiradar einen Puls ausstößt, hallt es von allen möglichen Objekten - Zäunen, Brücken, Bergen, Gebäuden - wider. Der einfachste Weg, alle diese Störungen zu entfernen, ist das Herausfiltern, indem erkannt wird, dass sie nicht Doppler-verschoben sind. Ein Polizeiradar sucht nur nach Dopplerverschobenen Signalen, und da der Radarstrahl stark fokussiert ist, trifft er nur ein Auto.

Die Polizei verwendet jetzt eine Lasertechnik, um die Geschwindigkeit von Autos zu messen. Diese Technik heißt Lidarund es verwendet Licht anstelle von Funkwellen. Informationen zur LIDAR-Technologie finden Sie unter Funktionsweise von Radarwarnern.

Weitere Informationen zu Radar und seinen Anwendungen finden Sie auf den Links auf der nächsten Seite.


Videoergänzungsan: Wie funktioniert Radar? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule.




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