Spécialiste des opérations 2e classe Gilbert Lundgren exploite l'équipement radar dans le centre d'information de combat de l'USS Carney. Photo avec l'aimable autorisation du ministère de la Défense Le radar est quelque chose qui est utilisé tout autour de nous, bien qu'il soit normalement invisible. Le contrôle du trafic aérien utilise un radar pour suivre les avions au sol et dans les airs, et aussi pour guider les avions pour des atterrissages en douceur. La police utilise un radar pour détecter la vitesse des automobilistes qui passent. La NASA utilise un radar pour cartographier la Terre et d'autres planètes, pour suivre les satellites et les débris spatiaux et pour aider à des choses comme l'amarrage et les manœuvres. L'armée l'utilise pour détecter l'ennemi et pour guider les armes.
Les météorologues utilisent le radar pour suivre les tempêtes, ouragans et tornades. Vous voyez même une forme de radar dans de nombreuses épiceries lorsque les portes s'ouvrent automatiquement ! Évidemment, le radar est une technologie extrêmement utile.
Quand les gens utilisent le radar, ils essaient généralement d'accomplir l'une des trois choses suivantes :
Ces trois activités peuvent être accomplies en utilisant deux choses que vous connaissez peut-être dans la vie de tous les jours : écho et Doppler . Ces deux concepts sont faciles à comprendre dans le domaine du son car vos oreilles entendent l'écho et le décalage Doppler chaque jour. Le radar utilise les mêmes techniques utilisant des ondes radio.
Dans cet article, nous découvrirons les secrets du radar. Regardons le sonner la version en premier, puisque vous connaissez déjà ce concept.
Contenu
Écho est quelque chose que vous expérimentez tout le temps. Si vous criez dans un puits ou un canyon, l'écho revient un instant plus tard. L'écho se produit parce que certaines des ondes sonores de votre cri se reflètent sur une surface (soit l'eau au fond du puits ou la paroi du canyon de l'autre côté) et reviennent à vos oreilles. La durée entre le moment où vous criez et le moment où vous entendez l'écho est déterminée par la distance entre vous et la surface qui crée l'écho.
Calcul de la profondeur avec Echo
Quand tu cries dans un puits, le son de votre cri se propage dans le puits et se reflète (écho) sur la surface de l'eau au fond du puits. Si vous mesurez le temps qu'il faut à l'écho pour revenir et si vous connaissez la vitesse du son, vous pouvez calculer la profondeur du puits assez précisément.
Décalage Doppler :La personne derrière la voiture entend un ton plus grave que le conducteur car la voiture s'éloigne. La personne devant la voiture entend un ton plus aigu que le conducteur parce que la voiture s'approche. Doppler est également courant. Vous en faites probablement l'expérience quotidiennement (souvent sans vous en rendre compte). Le décalage Doppler se produit lorsque le son est généré par, ou réfléchi sur, un objet en mouvement. Le décalage Doppler à l'extrême crée bangs soniques (voir ci-dessous). Voici comment comprendre le décalage Doppler (vous pouvez également essayer cette expérience dans un parking vide). Disons qu'il y a une voiture qui vient vers vous à 60 miles par heure (mph) et que son klaxon retentit. Vous entendrez le klaxon jouer une "note" à l'approche de la voiture, mais lorsque la voiture vous dépasse, le son du klaxon passe soudainement à une note plus basse. C'est le même klaxon qui fait le même son tout le temps. Le changement que vous entendez est causé par le décalage Doppler.
Voici ce qui se passe. Les vitesse du son par l'air dans le parking est fixe. Pour simplifier le calcul, disons que c'est 600 mph (la vitesse exacte est déterminée par la pression de l'air, température et humidité). Imaginez que la voiture est à l'arrêt, il est à exactement 1 mile de vous et il klaxonne pendant exactement une minute. Les ondes sonores du klaxon se propageront de la voiture vers vous à une vitesse de 600 mph. Ce que vous entendrez est un délai de six secondes (pendant que le son parcourt 1 mile à 600 mph) suivi d'exactement une minute de son.
Disons maintenant que la voiture se dirige vers vous à 60 mph. Il commence à un kilomètre et demi et sonne de son klaxon pendant exactement une minute. Vous entendrez toujours le délai de six secondes. Cependant, le son ne jouera que pendant 54 secondes. C'est parce que la voiture sera juste à côté de vous après une minute, et le son à la fin de la minute vous parvient instantanément. La voiture (du point de vue du conducteur) klaxonne encore pendant une minute. Parce que la voiture bouge, cependant, la valeur d'une minute de son est emballée en 54 secondes de votre point de vue. Le même nombre d'ondes sonores est emballé dans un laps de temps plus petit. Par conséquent, leur fréquence est augmentée, et le ton du cor sonne plus haut pour vous. Alors que la voiture vous dépasse et s'éloigne, le processus est inversé et le son se développe pour remplir plus de temps. Par conséquent, le ton est plus bas.
Vous pouvez combiner l'écho et le décalage Doppler de la manière suivante. Supposons que vous envoyiez un son fort vers une voiture qui se dirigeait vers vous. Certaines ondes sonores rebondiront sur la voiture (un écho). Parce que la voiture se dirige vers vous, cependant, les ondes sonores seront comprimé . Par conséquent, le son de l'écho aura une hauteur plus élevée que le son d'origine que vous avez envoyé. Si vous mesurez la hauteur de l'écho, vous pouvez déterminer à quelle vitesse la voiture va.
Détonation supersoniquePendant que nous sommes ici sur le sujet du son et du mouvement, on peut aussi comprendre les bangs soniques. Supposons que la voiture se dirigeait vers vous exactement à la vitesse du son - environ 700 mph. La voiture klaxonne. Les ondes sonores générées par le klaxon ne peuvent pas aller plus vite que la vitesse du son, donc la voiture et le klaxon viennent à vous à 700 mph, donc tout le son provenant de la voiture "s'empile". Tu n'entends rien, mais vous pouvez voir la voiture approcher. Au même moment où la voiture arrive, il en va de même pour tout son son et il est FORT ! C'est un bang sonique.
Le même phénomène se produit lorsqu'un bateau se déplace dans l'eau plus rapidement que les vagues ne se déplacent dans l'eau (les vagues dans un lac se déplacent à une vitesse d'environ 5 mph - toutes les vagues traversent leur milieu à une vitesse fixe). Les vagues que le bateau génère "s'empilent" et forment la vague d'étrave en forme de V (sillage) que vous voyez derrière le bateau. La vague d'étrave est vraiment une sorte de bang sonique. C'est la combinaison empilée de toutes les vagues que le bateau a générées. Le sillage forme un V, et l'angle du V est contrôlé par la vitesse du bateau.
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À gauche :les antennes du complexe de communications Goldstone Deep Space (qui fait partie du réseau Deep Space de la NASA) aident à fournir des communications radio pour le vaisseau spatial interplanétaire de la NASA. À droite :un radar de recherche de surface et un radar de recherche aérienne sont montés sur le mât de misaine d'un destroyer lance-missiles. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA (à gauche), Ministère de la Défense (à droite) Nous avons vu que l'écho d'un son peut être utilisé pour déterminer à quelle distance se trouve quelque chose, et nous avons également vu que nous pouvons utiliser le décalage Doppler de l'écho pour déterminer à quelle vitesse quelque chose va. Il est donc possible de créer un « radar sonore, " et c'est exactement ce que sonar est. Les sous-marins et les bateaux utilisent le sonar tout le temps. Vous pouvez utiliser les mêmes principes avec du son dans l'air, mais le son dans l'air a quelques problèmes :
Le radar utilise donc des ondes radio à la place du son. Les ondes radio voyagent loin, sont invisibles pour les humains et sont faciles à détecter même lorsqu'ils sont faibles.
Prenons un ensemble radar typique conçu pour détecter les avions en vol. L'ensemble radar allume son émetteur et lance un court, rafale à haute intensité d'ondes radio à haute fréquence. La rafale peut durer une microseconde. Le poste radar éteint alors son émetteur, allume son récepteur et écoute un écho. L'ensemble radar mesure le temps qu'il faut pour que l'écho arrive, ainsi que le décalage Doppler de l'écho. Les ondes radio voyagent à la vitesse de la lumière, environ 1, 000 pieds par microseconde ; donc si l'ensemble radar a une bonne horloge à grande vitesse, il peut mesurer très précisément la distance de l'avion. À l'aide d'équipements spéciaux de traitement du signal, l'ensemble radar peut également mesurer très précisément le décalage Doppler et déterminer la vitesse de l'avion.
Dans les radars au sol, il y a beaucoup plus d'interférences potentielles que dans les radars aériens. Quand un radar de police lance une impulsion, il fait écho à toutes sortes d'objets - clôtures, des ponts, montagnes, immeubles. Le moyen le plus simple de supprimer tout ce type d'encombrement est de le filtrer en reconnaissant qu'il n'est pas décalé par Doppler. Un radar de police ne recherche que les signaux décalés par Doppler, et parce que le faisceau radar est étroitement focalisé, il ne touche qu'une seule voiture.
La police utilise maintenant une technique laser pour mesurer la vitesse des voitures. Cette technique s'appelle lidar , et il utilise la lumière au lieu des ondes radio. Voir Fonctionnement des détecteurs de radar pour plus d'informations sur la technologie lidar.
