DOPPLERŮV JEV – DALŠÍ ČTENÍ
Pokud Vás tato úloha zaujala, můžete se seznámit s dalšími zajímavostmi týkajícími se Dopplerova jevu. Tato část je nepovinná a je určena jen hloubavějším studentům. Zvolte si téma, které Vás zajímá.
Rázová vlna
Čerenkovovo záření
Radar a jeho použití
Radar je zařízení, které se dnes využívá v mnoha oborech lidské činnosti. Může posloužit k lokalizaci objektů, k určení jejich rychlosti, vzdálenosti a některých vlastností, ke sledování meteorologických dějů, k řízení letového provozu a nebo k mapování vzdálených planet. Radar je zkratka z anglického RAdio Detecting And Ranging. Radar využívá elektromagnetických vln v mikrovlnném a radiovém oboru, tj. od cca 30 MHz až po desítky GHz. Radar v podstatě využívá tři fyzikální jevy:
1. Odraz elektromagnetických vln. Pokud se od objektu odrazí elektromagnetické vlny ve směru radaru, lze z doby uplynulé mezi vyslaným a přijatým signálem zjistit vzdálenost objektu. Odraz není samozřejmostí, záleží na povrchu objektu a na úhlu odrazu, pro krátké vlny (v porovnání s rozměry objektu) platí, že úhel dopadu je roven úhlu odrazu. To znamená, že signál musí dopadnout na kolmou plošku, jinak odražený signál radar mine. Také je možné použít vlnovou délku větší než rozměry objektu, tím ale výrazně zhoršíme rozlišovací schopnost radaru.
2. Změna frekvence způsobená pohybem objektu. Tento jev využívá tzv. Dopplerův radar. Ze změny frekvence je možné přesně změřit radiální rychlost objektu (ve směru radaru). Objekt, který se přibližuje, způsobí zvýšení frekvence odraženého signálu, objekt, který se vzdaluje, snížení.
3. Změna polarizace způsobená objektem. Moderní radary jsou schopné vysílat dva paprsky navzájem kolmých polarizací a z odraženého signálu zjistit změnu polarizace. Meteorologický radar může touto technologií zjistit, zda mrak obsahuje kapky nebo kroupy a odhadnout jejich velikost, tvar a směr pohybu.
Helikoptéra Ka 31 s rotujícím radarovým panelem o ploše 6 m2, který umožní sledovat naráz až 40 cílů a přitom varovat flotilu letadel. Zásuvná kola zabrání interferenci s radarem. Tato helikoptéra patří k současné výzbroji ruského a indického námořnictva.
Existuje řada druhů radarů a můžeme je dělit z mnoha hledisek. Radary mohou rotovat a skenovat určitou část krajiny nebo oblohy (například letecký radar) nebo mohou být statické a sloužit k zaměření konkrétního cíle v daném směru (například policejní radar). Skenování oblohy lze také provést za pomoci pole složeného z více sfázovaných radarů, z nichž každý zabírá část oblohy. Radary mohou pracovat v pulzním režimu a přijímat odražený paprsek v pauzách mezi vysíláním nebo pracovat v kontinuálním režimu a využít k přijímání odraženého signálu další detektor. Radary mohou být aktivní, tj. vysílat signál nebo jen pasivní a přijímat signály z jiných zdrojů. Aktivní radary dále můžeme dělit na primární, které vysílají signál a v čase mimo vysílání přijímají odrazy, nebo sekundární, které potřebují ke své činnosti odpovídač na sledovaném objektu (například letadle). Sekundární radar lokalizuje nejen objekt a jeho rychlost, ale vyžádá si doplňující informace, které odpovídač zašle (například identifikační kód letadla). Tak je možné například odlišit vlastní cíle od nepřátelských. Radary mohou mít stálou frekvenci nebo být frekvenčně modulované (porovnávání více frekvencí umožní detekovat vzniklé rázy a přesně určit změnu frekvence). Mohli bychom pokračovat v dělení radarů podle účelu, podle způsobu zpracování obrazu (od triviálního skenování se zobrazením pouhé intenzity signálu až po sofistikované mapování povrchu planet) či dalších parametrů.
Záznam z meteorologických radarů ČHMÚ. Levá barevná stupnice odpovídá hladině intenzity odraženého signálu a současně intenzitě srážek (modrá barva odpovídá slabým srážkám, červená prudkému dešti). Aktuální data můžete získat ze serveru ČHMÚ. |
Radarová technika má své prvopočátky již v období formulace zákonů elektřiny a magnetizmu Clerkem Jamesem Clerkem v 19. století. Nicméně první použití rádiových vln pro detekci objektů za snížené viditelnosti provedl německý inženýr Christian Hülsmeyer v roce 1904. Tento rok můžeme považovat za zrod radarové techniky. K jejímu nejbouřlivějšímu rozvoji došlo za druhé světové vlky, při které vojáci potřebovali detekovat nepřátelská letadla a odlišit je od letadel vlastních. Shrňme nyní základní milníky ve vývoji radaru:
| 1865 | Skotský fyzik James Clerk Maxwell publikuje svou teorii elektromagnetického pole. Poukazuje na jednotnou podstatu elektrických a magnetických dějů a na to, že se elektrická a magnetická pole mohou šířit prostorem jako vlny s rychlostí rovnou rychlosti šíření světla. |
| 1886 | Německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz objevil elektromagnetické vlny a demonstroval tak správnost Maxwellovy teorie. |
| 1897 | Italský vynálezce Guglielmo Marconi uskutečnil první spojení na dálku za pomoci elektromagnetických vln. Marconi je považován za otce a průkopníka radiotelekomunikace. |
| 1904 | Německý inženýr Christian Hülsmeyer provedl první skutečný test radaru. Monitoroval lodní provoz za špatné viditelnosti. Přístroj nazval telemobiloskop a patentoval ho v Německu, Francii a Velké Británii. |
| 1922 | Americký elektroinženýři Albert Taylor a Leo Young z Námořní výzkumné laboratoře poprvé detekovali dřevěnou loď. |
| 1930 | Americký elektroinženýr Lawrence Hyland z Námořní výzkumné laboratoře poprvé detekoval letadlo. |
| 1931 | Radarem byla vybavena první loď. Jako přijímač sloužila parabolická mísa a jako vysílač trychtýřovitá anténa. |
| 1939 | Inženýři John Randall a Henry Boot z Birminghamské univerzity zkonstruovali malý účinný radar s magnetronem, kterým byly osazeny vojenské letouny B–17. Radar využívali k vyhledávání německých ponorek v noci a za mlhy. |
| 1940 | Začíná bouřlivý vývoj radarové techniky ve Spojených státech, Japonsku, Německu, Francii a Rusku. Tento vývoj souvisí s probíhající druhou světovou válkou. |
Další vývoj radaru se odehrál na konci 20. století při výzkumných misích ve sluneční soustavě. Za pomoci tzv. zobrazovacích radarů byly podrobně mapovány povrchy planet. Tato technika nejvýrazněji uspěla u planety Venuše, která má natolik hustou atmosféru, že přímé pozorování povrchu není vůbec možné. Americká sonda Magellan v 90. letech poskytla první obrázky povrchu Venuše v detailním rozlišení. Samozřejmě byly ve falešných barvách, neboť lidské oko není na rádiové vlny citlivé. Barva byla kódována buď podle výšky terénu, nebo podle skutečné barvy povrchu zjištěné z přistávacích pouzder sovětských sond Veněra 13 a 14.
Radarový snímek Venuše. Venuše Tento snímek byl pořízen zobrazovacím radarem sondy Magellan v 90. letech 20. století. Barvy byly zvoleny podle skutečné barvy povrchu planety. Jasná oblast táhnoucí se napříč planetou je nejrozsáhlejší vyvýšenina na Venuši, která je známá pod latinským názvem Aphrodite Terra (Afroditina země). Rozlohou odpovídá Africe.