Stellen Sie sich vor, Sie würden einen Jumbojet von der Größe eines großen Gebäudes auf einem kurzen Asphaltstreifen in der Mitte einer Stadt mitten in der Nacht im dichten Nebel landen. Wenn Sie nicht sehen können, wohin Sie gehen, wie können Sie hoffen, sicher zu landen? Flugzeugpiloten umgehen diese Schwierigkeit mit Radar, einer Art des „Sehens“, bei der hochfrequente Radiowellen zum Einsatz kommen. Radar wurde ursprünglich entwickelt, um feindliche Flugzeuge während des Zweiten Weltkriegs zu entdecken, aber es ist jetzt weit verbreitet in allen Bereichen von Polizei-Geschwindigkeits-Detektoren Waffen bis zur Wettervorhersage. Schauen wir uns einmal an, wie es funktioniert!
Was ist Radar?
Wir können Objekte in der Welt um uns herum sehen, weil Licht (normalerweise von der Sonne) von ihnen in unsere Augen reflektiert wird. Wenn du nachts gehen willst, kannst du eine Taschenlampe vor dir sehen, um zu sehen, wohin du gehst. Der Lichtstrahl tritt aus der Fackel aus, reflektiert von Objekten vor Ihnen und springt zurück in Ihre Augen. Ihr Gehirn berechnet sofort, was das bedeutet: es sagt Ihnen, wie weit weg Objekte sind und macht Ihren Körper bewegen, so dass Sie nicht über Dinge stolpern.
Radar funktioniert auf die gleiche Weise. Das Wort „Radar“ steht für Radio Detection und Ranging – und das gibt einen ziemlich großen Hinweis darauf, was es tut und wie es funktioniert. Stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das nachts durch dichten Nebel fliegt. Die Piloten können nicht sehen, wohin sie gehen, also benutzen sie das Radar, um ihnen zu helfen.
Das Radar eines Flugzeugs ist ein bisschen wie eine Fackel, die Radiowellen anstelle von Licht verwendet. Das Flugzeug sendet einen intermittierenden Radarstrahl (so sendet es nur ein Teil der Zeit ein Signal) und „hört“ für die restliche Zeit nach irgendwelchen Reflexionen dieses Strahls von nahegelegenen Objekten. Wenn Reflexionen erkannt werden, weiß das Flugzeug, dass etwas in der Nähe ist – und es kann die Zeit nutzen, die die Reflektion benötigt, um herauszufinden, wie weit es entfernt ist. Mit anderen Worten, Radar ist ein bisschen wie das Echoortungssystem, das „blinde“ Fledermäuse benutzen, um im Dunkeln zu sehen und zu fliegen.
Wie funktioniert Radar?
Ob es nun in einem Flugzeug, einem Schiff oder irgendetwas anderem montiert ist, ein Radargerät benötigt die gleichen grundlegenden Komponenten: etwas, um Radiowellen zu erzeugen, etwas, um sie in den Weltraum zu schicken, etwas, um sie zu empfangen, und einige Mittel zur Anzeige von Informationen so kann der Radarbetreiber es schnell verstehen.
Die von Radar verwendeten Radiowellen werden von einem als Magnetron bezeichneten Gerät erzeugt. Funkwellen ähneln Lichtwellen: Sie bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit – aber ihre Wellen sind viel länger und haben viel niedrigere Frequenzen. Lichtwellen haben Wellenlängen von etwa 500 Nanometern (500 Milliardstel Meter, das ist etwa 100-200 mal dünner als ein menschliches Haar), während die Radiowellen, die von Radar verwendet werden, typischerweise von einigen Zentimetern bis zu einem Meter reichen – die Länge von ein Finger auf die Länge deines Armes – oder ungefähr eine Million mal länger als Lichtwellen.
Sowohl Licht- als auch Radiowellen sind Teil des elektromagnetischen Spektrums, was bedeutet, dass sie aus schwankenden Mustern von elektrischer und magnetischer Energie bestehen, die durch die Luft zappt. Die Wellen, die ein Magnetron erzeugt, sind tatsächlich Mikrowellen, ähnlich denen, die von einem Mikrowellenofen erzeugt werden. Der Unterschied ist, dass das Magnetron in einem Radar die Wellen viele Meilen senden muss, anstatt nur ein paar Zentimeter, also ist es viel größer und leistungsfähiger.
Sobald die Radiowellen erzeugt sind, schleudert eine Antenne, die als Sender arbeitet, diese in die Luft. Die Antenne ist normalerweise gekrümmt, so dass sie die Wellen in einen präzisen, schmalen Strahl fokussiert, aber auch Radarantennen rotieren typischerweise, so dass sie Bewegungen über einen großen Bereich erfassen können. Die Radiowellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne nach außen (186.000 Meilen oder 300.000 km pro Sekunde) und gehen weiter, bis sie etwas treffen. Dann prallen einige von ihnen auf die Antenne in einem Strahl reflektierter Radiowellen zurück, die sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Geschwindigkeit der Wellen ist von entscheidender Bedeutung. Nähert sich ein feindliches Düsenflugzeug mit über 3.000 km / h (2.000 mph), muss der Radarstrahl viel schneller fliegen, um das Flugzeug zu erreichen, zum Sender zurückzukehren und den Alarm rechtzeitig auszulösen. Das ist kein Problem, denn Radiowellen (und Licht) reisen schnell genug, um in einer Sekunde sieben Mal um die Welt zu gehen! Wenn ein feindliches Flugzeug 160 km entfernt ist, kann ein Radarstrahl diese Entfernung und zurück in weniger als einer tausendstel Sekunde zurücklegen.
Die Antenne dient sowohl als Radarempfänger als auch als Sender. In der Tat, es wechselt zwischen den beiden Jobs. Typischerweise sendet es Funkwellen für einige Tausendstelsekunden, dann hört es die Reflexionen für einige Sekunden ab, bevor es erneut sendet. Alle reflektierten Funkwellen, die von der Antenne aufgenommen werden, werden in ein elektronisches Gerät geleitet, das sie in einer aussagekräftigen Form auf einem fernsehähnlichen Bildschirm verarbeitet und anzeigt, wobei sie ständig von einem menschlichen Bediener beobachtet wird. Das Empfangsgerät filtert nutzlose Reflexionen vom Boden, von Gebäuden usw. und zeigt nur signifikante Reflexionen auf dem Bildschirm. Mit dem Radar kann ein Bediener in der Nähe befindliche Schiffe oder Flugzeuge sehen, wo sie sich befinden, wie schnell sie unterwegs sind und wohin sie unterwegs sind. Einen Radarschirm zu sehen ist ein bisschen wie ein Videospiel – nur dass die Punkte auf dem Bildschirm echte Flugzeuge und Schiffe darstellen und der kleinste Fehler das Leben vieler Menschen kosten könnte.
Es gibt noch ein weiteres wichtiges Gerät im Radargerät. Es wird als Duplexer bezeichnet und lässt die Antenne zwischen Sender und Empfänger hin- und herwechseln. Während die Antenne sendet, kann sie nicht empfangen – und umgekehrt. Schauen Sie sich das Diagramm in der Box unten an, um zu sehen, wie all diese Teile des Radarsystems zusammenpassen.
Software Palmtop auf Palmtop