九乡新闻网行业协会工资待遇:雷达的奥秘
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/07/08 15:59:56
雷达广泛应用在我们生活中的方方面面，虽然它通常是看不见的。空中交通控制利用雷达来跟踪地面和空中的飞机，并引导飞机平稳降落。警察利用雷达来探测过往车辆的速度。美国国家航空航天局（NASA）利用雷达来绘制地球和其他星球的地图，跟踪卫星和空间碎片，还用它来协助空间对接和机动操纵。军方则利用它来侦察敌人和指挥武器攻击。
美国国防部供图
操作专家、二等兵Gilbert Lundgren正在操作
“卡尼”号驱逐舰的作战信息中心内的雷达设备。
气象学家还利用雷达来跟踪风暴、飓风和龙卷风。您甚至可以在很多杂货店看到另一种形式的雷达——自动门！很显然，雷达是一种非常有用的技术。
人们使用雷达时，一般是希望达到下列三种目的之一：
探测远处物体的存在——一般这个“物体”是移动的，比如飞机，但雷达也可用于探测埋在地下的静止物体。某些情况下，雷达还可以辨识物体。例如，它可以辨识探测到的飞机的种类。
探测物体的速度——这就是警察使用雷达的原因。
绘图——航天飞船和轨道卫星利用一种称为合成孔径雷达的设备，来绘制行星和月球表面的详尽地形图。
这三种用途都可以用您在日常生活中可能就已经熟悉的两种现象来实现：回声和多普勒频移。这两个概念在声学上都比较容易理解，因为您的耳朵每天都会听到回声和多普勒频移。雷达利用的是同样的原理，不同的是它采用了的是无线电波。
在本文中，我们将揭开雷达的秘密。首先我们来看看声音，因为您对这个概念已经非常熟悉了。
回声和多普勒频移
如果您对着一口井里喊话，您喊话的声音将沿着井向下传播，然后在井底的水面上发生反射（回声）。如果您测量回声返回的时间，并知道声速的话，您就可以非常精确地计算井深。
回声是您经常都遇到的现象。如果您对着井里或者在峡谷里喊话，回声要过一段时间才能返回来。发生回声是因为您喊话的声波有一部分在某个表面发生反射（井底的水面或远处的峡谷壁），并传回了您的耳朵。从喊话到听到回声之间所需的时间，是由您和声音反射表面之间的距离决定的。
多普勒频移也是很常见的。您可能每天都会经历（却没有意识到）。当一个正在运动的物体发出声音或产生反射时，就会发生多普勒频移。极端条件下的多普勒频移会产生声震（见后文）。您可以这样来理解多普勒频移（您可能还会想在一个空旷的停车场中做这个实验）：假设有一辆车以96公里/小时向您驶来，同时鸣笛。您会听到，在车接近您的时候，喇叭是一种“音调”，而在车和您擦身而过后，喇叭声会突然变为一个较低的音调。但是在整个过程中，一直是同一个喇叭在发出同一种声音。您所听到的声音变化就是由多普勒频移引起的。
产生这种现象的原因如下所述。在停车场的空气中传播的声速是固定的。为了计算简便起见，假定声速是960公里/小时（精确的声速受气压、温度和湿度的影响）。想象汽车是静止的，离您恰好1.6公里远，鸣笛恰好1分钟。喇叭发出的声波会以960公里/小时的速度从汽车向您传播。而您听到的是延迟了6秒后（声音以960公里/小时的速度传播了1.6公里）、恰好1分钟的声音。
多普勒频移：站在车后方的人听到的音调比司机听到的低，因为车正在远离他。站在车前方的人听到的音调比司机听到的高，因为车正在向他靠近。
假设汽车以96公里/小时向您驶来。它从1.6公里之外起步，鸣笛1分钟整。您会在延迟6秒后听到声音。然而，声音只会持续54秒。这是因为，1分钟后车恰好开到了您身边，在这1分钟后，声音立刻就会传到您耳中。汽车（从司机的角度看）仍然是鸣笛1分钟。然而，因为车在运动，在您看来，1分钟的声音被压缩到了54秒之中。同样数量的声波数被压缩到了较短的时间中。因此，声波的频率被提高了，于是您听到的喇叭音调就较高。当车和您擦身而过并驶远时，这一过程被反过来，声音时间拖长。因此，音调就会变低。
声震虽然我们现在谈论的是关于声音和运动的话题，我们也可以同样理解声震现象。假设汽车以和声音以恰好相同的速度向您驶来——1120公里/小时左右。汽车同时还在鸣笛。喇叭产生的声波无法以超过声速的速度传播，而汽车和喇叭都以1120公里/小时向您驶来，则汽车发出的所有声音都“堆积”起来。于是您可以看到汽车驶来，却什么也听不到。而在汽车到达的那一刻，所有的声音也同时到达，会非常非常响！这就是声震。
在船只以超过水中波速（湖水中的波以约8公里/小时移动——所有波在同一介质中的传播速度都是固定的）的速度驶过水面时，也会发生同样的现象。船只产生的波“堆积”起来，在船尾后您就会看到V形的冲击波（尾流）。冲击波就是声震的一种。它是船只产生的所有波相叠加的组合。尾流形成了V字形，而V字的角度则由船速决定。
您可以将回声和多普勒频移这样结合起来：假设您向一辆驶向您的汽车发出响亮的声音，有一些声波将在汽车表面发生反射（回声）。然而，因为汽车正向您驶来，所以声波将被压缩。因此，回声的音调将比您发出的原始声音高。如果您测量了回声的音调，您就可以确定汽车行驶的速度了。
我们已经知道，回声可以用来确定物体距离我们多远，还知道可以利用回声的多普勒频移来确定物体移动的速度。因此，就有可能创造出一种“声学雷达”，这正是声纳的原理。潜艇和船只时时刻刻都在使用声纳。您也可以对空气中的声音应用同样的原理，但是空气中的声音传播存在一些问题： 声音无法传播得很远——也许最多1.6公里。 几乎所有人都能听到声音，那么“声学雷达”肯定会打扰到邻居（使用超声而不是可听声，可以在很大程度上克服这个问题）。 因为回声非常微弱，所以很可能难以探测到。
因此，雷达使用无线电波来代替声音。无线电波可以传播得很远，人无法感知到，而且即使信号微弱也比较容易探测到。
美国国家航空航天局（左），美国国防部（右）供图
左图：Goldstone深空通讯站（NASA深空网的组成部分）的天线，可为NASA的行星际飞船提供无线通讯。
右图：导弹驱逐舰前桅上安装的海面搜索雷达和对空搜索雷达。
我们以用于探测空中飞机的典型雷达设计为例。雷达装置打开发射机，发射一束短促的、高强度的高频无线电波脉冲。脉冲可能只持续一微秒。随后雷达装置关闭发射机，打开接收机并开始侦听回波。然后雷达测量回波返回的时间，以及回波的多普勒频移。无线电波以光速传播，每微秒约前进305米。因此如果雷达装置具有很好的高速时钟，那么它就可以非常精确地测量飞机的距离。雷达装置也可以利用特殊的信号处理设备，非常精确地测量多普勒频移并确定飞机的速度。
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雷达天线以已知频率发射出一束非常短促的高功率无线电波脉冲。当无线电波碰到物体时，就会发生发射，而且物体的速度会引起回波的多普勒频移。随后利用同一个天线来接收这些微弱得多的返回信号。
对于地基雷达来说，可能受到的干扰比空载雷达要多得多。当警用雷达发射脉冲时，脉冲会在所有物体上发生反射——围墙、桥梁、山体、建筑等。消除这类杂波的最简单方法就是识别这些杂波不是发生多普勒频移的信号，并将其滤除。警用雷达仅仅关心发生多普勒频移的信号，并且由于雷达波束高度集中，只会射到一辆车上。
警察现在采用激光技术来测量车速。这一技术被称为激光雷达，它使用光而不是无线电波。关于激光雷达技术的信息，请参见雷达探测器工作原理。
美国国防部供图
操作专家、二等兵Gilbert Lundgren正在操作
“卡尼”号驱逐舰的作战信息中心内的雷达设备。
气象学家还利用雷达来跟踪风暴、飓风和龙卷风。您甚至可以在很多杂货店看到另一种形式的雷达——自动门！很显然，雷达是一种非常有用的技术。
人们使用雷达时，一般是希望达到下列三种目的之一：
探测远处物体的存在——一般这个“物体”是移动的，比如飞机，但雷达也可用于探测埋在地下的静止物体。某些情况下，雷达还可以辨识物体。例如，它可以辨识探测到的飞机的种类。
探测物体的速度——这就是警察使用雷达的原因。
绘图——航天飞船和轨道卫星利用一种称为合成孔径雷达的设备，来绘制行星和月球表面的详尽地形图。
这三种用途都可以用您在日常生活中可能就已经熟悉的两种现象来实现：回声和多普勒频移。这两个概念在声学上都比较容易理解，因为您的耳朵每天都会听到回声和多普勒频移。雷达利用的是同样的原理，不同的是它采用了的是无线电波。
在本文中，我们将揭开雷达的秘密。首先我们来看看声音，因为您对这个概念已经非常熟悉了。
回声和多普勒频移
如果您对着一口井里喊话，您喊话的声音将沿着井向下传播，然后在井底的水面上发生反射（回声）。如果您测量回声返回的时间，并知道声速的话，您就可以非常精确地计算井深。
回声是您经常都遇到的现象。如果您对着井里或者在峡谷里喊话，回声要过一段时间才能返回来。发生回声是因为您喊话的声波有一部分在某个表面发生反射（井底的水面或远处的峡谷壁），并传回了您的耳朵。从喊话到听到回声之间所需的时间，是由您和声音反射表面之间的距离决定的。
多普勒频移也是很常见的。您可能每天都会经历（却没有意识到）。当一个正在运动的物体发出声音或产生反射时，就会发生多普勒频移。极端条件下的多普勒频移会产生声震（见后文）。您可以这样来理解多普勒频移（您可能还会想在一个空旷的停车场中做这个实验）：假设有一辆车以96公里/小时向您驶来，同时鸣笛。您会听到，在车接近您的时候，喇叭是一种“音调”，而在车和您擦身而过后，喇叭声会突然变为一个较低的音调。但是在整个过程中，一直是同一个喇叭在发出同一种声音。您所听到的声音变化就是由多普勒频移引起的。
产生这种现象的原因如下所述。在停车场的空气中传播的声速是固定的。为了计算简便起见，假定声速是960公里/小时（精确的声速受气压、温度和湿度的影响）。想象汽车是静止的，离您恰好1.6公里远，鸣笛恰好1分钟。喇叭发出的声波会以960公里/小时的速度从汽车向您传播。而您听到的是延迟了6秒后（声音以960公里/小时的速度传播了1.6公里）、恰好1分钟的声音。
多普勒频移：站在车后方的人听到的音调比司机听到的低，因为车正在远离他。站在车前方的人听到的音调比司机听到的高，因为车正在向他靠近。
假设汽车以96公里/小时向您驶来。它从1.6公里之外起步，鸣笛1分钟整。您会在延迟6秒后听到声音。然而，声音只会持续54秒。这是因为，1分钟后车恰好开到了您身边，在这1分钟后，声音立刻就会传到您耳中。汽车（从司机的角度看）仍然是鸣笛1分钟。然而，因为车在运动，在您看来，1分钟的声音被压缩到了54秒之中。同样数量的声波数被压缩到了较短的时间中。因此，声波的频率被提高了，于是您听到的喇叭音调就较高。当车和您擦身而过并驶远时，这一过程被反过来，声音时间拖长。因此，音调就会变低。
声震虽然我们现在谈论的是关于声音和运动的话题，我们也可以同样理解声震现象。假设汽车以和声音以恰好相同的速度向您驶来——1120公里/小时左右。汽车同时还在鸣笛。喇叭产生的声波无法以超过声速的速度传播，而汽车和喇叭都以1120公里/小时向您驶来，则汽车发出的所有声音都“堆积”起来。于是您可以看到汽车驶来，却什么也听不到。而在汽车到达的那一刻，所有的声音也同时到达，会非常非常响！这就是声震。
在船只以超过水中波速（湖水中的波以约8公里/小时移动——所有波在同一介质中的传播速度都是固定的）的速度驶过水面时，也会发生同样的现象。船只产生的波“堆积”起来，在船尾后您就会看到V形的冲击波（尾流）。冲击波就是声震的一种。它是船只产生的所有波相叠加的组合。尾流形成了V字形，而V字的角度则由船速决定。
您可以将回声和多普勒频移这样结合起来：假设您向一辆驶向您的汽车发出响亮的声音，有一些声波将在汽车表面发生反射（回声）。然而，因为汽车正向您驶来，所以声波将被压缩。因此，回声的音调将比您发出的原始声音高。如果您测量了回声的音调，您就可以确定汽车行驶的速度了。
我们已经知道，回声可以用来确定物体距离我们多远，还知道可以利用回声的多普勒频移来确定物体移动的速度。因此，就有可能创造出一种“声学雷达”，这正是声纳的原理。潜艇和船只时时刻刻都在使用声纳。您也可以对空气中的声音应用同样的原理，但是空气中的声音传播存在一些问题： 声音无法传播得很远——也许最多1.6公里。 几乎所有人都能听到声音，那么“声学雷达”肯定会打扰到邻居（使用超声而不是可听声，可以在很大程度上克服这个问题）。 因为回声非常微弱，所以很可能难以探测到。
因此，雷达使用无线电波来代替声音。无线电波可以传播得很远，人无法感知到，而且即使信号微弱也比较容易探测到。
美国国家航空航天局（左），美国国防部（右）供图
左图：Goldstone深空通讯站（NASA深空网的组成部分）的天线，可为NASA的行星际飞船提供无线通讯。
右图：导弹驱逐舰前桅上安装的海面搜索雷达和对空搜索雷达。
我们以用于探测空中飞机的典型雷达设计为例。雷达装置打开发射机，发射一束短促的、高强度的高频无线电波脉冲。脉冲可能只持续一微秒。随后雷达装置关闭发射机，打开接收机并开始侦听回波。然后雷达测量回波返回的时间，以及回波的多普勒频移。无线电波以光速传播，每微秒约前进305米。因此如果雷达装置具有很好的高速时钟，那么它就可以非常精确地测量飞机的距离。雷达装置也可以利用特殊的信号处理设备，非常精确地测量多普勒频移并确定飞机的速度。
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雷达天线以已知频率发射出一束非常短促的高功率无线电波脉冲。当无线电波碰到物体时，就会发生发射，而且物体的速度会引起回波的多普勒频移。随后利用同一个天线来接收这些微弱得多的返回信号。
对于地基雷达来说，可能受到的干扰比空载雷达要多得多。当警用雷达发射脉冲时，脉冲会在所有物体上发生反射——围墙、桥梁、山体、建筑等。消除这类杂波的最简单方法就是识别这些杂波不是发生多普勒频移的信号，并将其滤除。警用雷达仅仅关心发生多普勒频移的信号，并且由于雷达波束高度集中，只会射到一辆车上。
警察现在采用激光技术来测量车速。这一技术被称为激光雷达，它使用光而不是无线电波。关于激光雷达技术的信息，请参见雷达探测器工作原理。