26 ноября 2015

Все о радаре и сонаре

Подробная статья о том, что такое радар и сонар, об истории их создания, а также о том, как работают эти устройства и где применяются.
Широкополосный радар Lowrance Broadband 3G Radar

Иногда, когда соблюдены определенные условия, Вы можете услышать собственное эхо. Если Вы крикните «Привет!», звук может отразиться от большого объекта, и Вы услышите собственный голос. Это и называется эхо. Радар и сонар – это электронные устройства, которые используют принцип эхо для обнаружения и локализации объекта.

Оба устройства - и радар, и сонар - определяют объект по эхо-сигналу, который отразился от объекта. Радар использует радиоволны, которые являются типом электромагнитной энергии. Сонар использует принцип эхо, посылая звуковые волны под воду или сквозь человеческое тело. Звуковые волны - это тип акустической энергии. Из-за различия типов энергии, используемых в радаре и сонаре, каждый из них имеет своё собственное применение.

Что такое радар?

Сонар

Слово «Радар» («Radar») было образовано от английского словосочетания «radio detection and ranging»(«радиообнаружение и дальность»). Радиоволны представляют собой тип электромагнитного излучения (микроволновые печи, рентгеновские лучи и световые волны другого типа). Это основа данной технологии. Дальность означает измерение расстояния до цели от РЛС (устройство, которое отправляет радиосигнал и принимает обратно его отражение).

Радар использует радиоволны. Похожая система называется «оптический радар» или «лидар» («lidar» - от англ. «light detection and ranging» - «световое обнаружение и дальность»), которая основывается на том же принципе, что и радар, но использует световые волны.

Как радар работает

РЛС FURUNO FR-8062

РЛС (также называемые радиолокационными станциями) бывают разных размеров, в зависимости от тех целей, где их используют. Но все они состоят из четырех основных частей: передатчика, антенны, приемника и дисплея. Передатчик испускает радиоволны. Когда радиоволна доходит до объекта, например самолета, она отражается обратно к станции. Антенна обнаруживает отраженный сигнал и отправляет на приемник, который его увеличивает и усиливает. Затем, сигнал отправляется на дисплей как изображение.

Выглядит изображение, обычно, как схематичная карта типа «вид сверху». На дисплее отображаются яркие пятна, назовем их всплески. Всплески показывают участки суши, а также различные объекты - такие как самолеты, корабли и т.д. Оператор может выбрать эти объекты, так как они находятся в движении, тогда как земля неподвижна.

Основной тип радара - импульсный радар. Он отправляет радиоволны короткими очередями или импульсами. Расстояние до цели определяется временем, за которое сигнал доходит до цели и возвращается обратно. Скорость радиосигнала сравнима со скоростью света и составляет 300 000 км/с. Соответственно, если сигнал возвращается за 1/1000 секунды, проходит расстояние в 300 км, то цель должна быть на половине пройденного расстояния, т.е. в 150 км удаленности.

Импульсная передача позволяет определить расстояние более точно. Почему это так? Представьте себе, как Вы кричите, чтобы услышать эхо. Если Вы кричите продолжительное время, то первые слова вернутся прежде, чем Вы закончите, и Вы не сможете услышать все предложение. Но если Вы крикните что-то короткое, то без проблем распознаете свое эхо.

Расположение цели по отношению к РЛС определяется немного иначе. Радарная антенна отправляет импульсы узким лучом, примерно как светит фонарь. Антенна и, соответственно, луч вращается медленно и проходит через все возможные препятствия в поисках целей. Сигнал отражается от корабля или какой-либо другой цели, только если луч задел её. Возвращенный сигнал усиливается приемником и отображается на мониторе, где показывается расстояние и направление до цели.

РЛС Koden MDC-2900 Series

Применение радара

Радар применяется как в военных, так и в гражданских целях. Наиболее распространенное применение в гражданских целях - это помощь в навигации для морских и воздушных судов. РЛС, установленные на судах или в аэропорту, собирают информацию о других объектах, чтобы предотвратить возможные столкновения. На море собирается информация о буях, скалах и т.д. В воздухе РЛС помогают заходить на посадку воздушным судам, в условиях плохой видимости или неисправности.

Также радары используются в метеорологии, при прогнозировании погодных условий. Синоптики, как правило, используют их в сочетании с лидаром (оптическим радаром) для изучения штормов, ураганов и других погодных катаклизмов. Доплеровский радар основывается на принципе эффекта Доплера – т. е. изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника). Анализируя изменения частоты отраженных радиоволн, доплеровский радар может отслеживать движение штормов и развитие торнадо.

Ученые используют радары, чтобы отслеживать миграцию птиц и насекомых, определять расстояние до планет. Потому как он может показать в каком направлении и как быстро движется объект, радар используется полицией для определения нарушений скоростного режима. Подобные технологии используются в спорте, например в теннисе, чтобы определить скорость подачи. Радар используют спецслужбы, чтобы сканировать объекты. В военных целях радары, в большей степени, применяют в качестве поиска целей и управления огнем.

История радара

История радарной технологии началась с экспериментов с использованием радиоволн немецким физиком Генрихом Герцом в 1887 году. Он обнаружил, что волны могут проходить через одни объекты, но отражаться другими. В 1900 году Никола Тесла заметил, что крупные объекты могут отражать достаточно сильные сигналы. Он понял, что волны были отраженными радиосигналами, и предсказал, что они могут быть использованы для поиска положения и направления судов в открытом море.

Впервые импульсный радар был представлен в США в 1925 году. В 1935 году радар был запатентован в британском патентном бюро как результат исследований во главе с шотландским физиком Робертом Александром Уотсон-Уоттом. Этот запатентованный радар был применен в радарных системах, которые оказались эффективны против немецкой авиации во время воздушных налетов на Великобританию, в период Второй мировой войны.(1939-1945 г.г.) Термин «радар» был впервые использован учеными ВВС США во время этой войны.

Прогресс в сфере радарных технологий продолжается до сих пор, усилия направлены на улучшение качества изображения, точности размера и снижения стоимости.

Двухчастотный сонар Furuno CH-300

Что такое сонар?

Слово «сонар» происходит от англ. «sound navigation and ranging». Сонар может обнаруживать и определять местоположение объектов в толще воды при помощи эхо, аналогично дельфинам и другим морским животным, которые используют принцип эхолокации.

Как сонар работает

Есть два типа сонара: активный и пассивный. Активный отправляет импульсы и затем принимает отраженный сигнал эхо. Пассивный принимает сигнал, без отправки собственного. В активных гидроакустических системах звуковые сигналы намного мощнее, чем обычные звуки. Каждый импульс длится доли секунды.

Некоторые сонары излучают звуки, которые Вы можете услышать. Другие сигналы настолько высоки, что человеческое ухо не в силах их воспринять. Такие сигналы называются ультразвуковыми волнами (за пределами звука). У сонара имеется собственный приемник, который способен принять возвращенный эхо-сигнал. Положение объектов под водой можно определить по разнице между отправкой и приемом звукового сигнала.

Применение сонара

Сонар имеет множество применений. Подводные лодки используют сонар для обнаружения других судов. Технологию применяют для измерения глубин (эхолот). Эхолот измеряет время, необходимое для звукового импульса, чтобы достичь дна водоема и вернуться обратно. Рыболовные суда используют эхолот или гидролокатор для поиска стай рыб.

Полнокруговой сонар Furuno CSH-8L Mark-2

Океанографы используют сонар, чтобы отобразить контуры дна водоема. Звуковые сигналы могут пробивать толщу дна сквозь ил и песок и отрисовать слой породы под ними. Сигнал затем возвращается, давая расстояние до твердой поверхности.

Тот же принцип используется при поиске нефти на суше. Сонар отправляет импульс сквозь землю, импульс отражается с различной частотой от разных слоев почвы, и геологи могут определить какие виды грунта и пород присутствуют в почве. Это помогает определить места бурения, которые, скорее всего, содержат природные ресурсы. Это называется сейсморазведка.

Особый вид сонара используется в медицине и называется УЗИ (ультразвуковое исследование) или эхоскопия. Звуковые волны разной частоты производят различное эхо при отражении от разных органов тела. Врачи научились использовать эти сигналы, чтобы определять заболевания или контролировать развитие ребенка в утробе матери.

Звуковые волны очень высокой частоты используют в медицине и промышленности для чистки поверхностей от мельчайших инородных частиц.

История сонара

Сонар изобрела природа, задолго до того, как об этом задумался человек. Например, летучие мыши летают в темноте. Обходя препятствия и находя добычу при помощи ультразвуковых волн, которые человек услышать не в состоянии.

В 1906 году, американский военно-морской архитектор Льюис Никсон изобрел первый сонар для поиска айсбергов. Во время Второй мировой войны интерес к этой технологии возрос, т.к. возникла необходимость в обнаружении подводных лодок противника. В 1915 году такую первую действующую модель изобрел французский физик Поль Ланжевен. Первые приборы могли только слушать сигналы, но не могли излучать. Но уже к 1918 году Великобритания и Соединенные Штаты произвели образцы, которые могли отправлять сигнал и получать его обратно. Так же, как и с радарными технологиями, технологии сонаров постоянно совершенствуются и по сей день. Например, в 2000-х годах ВМС США ввели в оборот сонары, которые чистили военные мины.