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航空机载雷达:多普勒效应在航空中的作用

在空中交通管制塔中,雷达会在屏幕上显示飞机的当前位置。此外,多普勒效应还可以显示速度,从而将建筑物或山丘等静止物体过滤掉,不显示在屏幕上(消除杂波)。

在监控雷达中,长度在厘米范围内的电波每微秒发出一次,每秒将发出一千次电波。无线电波在千分之一秒内能传送多远?一秒300.000千米,因此千分之一秒300千米。

如果使用每秒 1000 次脉冲的回波,那么被探测物体的距离需要小于150千米:无线电波必须做一次回程,而在千分之一秒内刚好足够回程时间。

多普勒VOR原理

多普勒甚高频全向无线电测距仪是一种特别精确的航空导航设备。它可以比作航运灯塔。

灯塔发射的光束以特定的速度(频率)旋转,当光束指向北方时会发出额外的闪光。灯塔可以通过其特定频率来识别。通过测量指北信号与灯塔光束指向船只之间的时间,船只就能确定灯塔与船只之间的方位。根据灯塔光束的亮度,可以估算出其与灯塔的距离,再结合船只行驶方向的信息,就可以计算出船只的航向。

多普勒甚高频全向无线电测距仪发射频率为100兆赫的旋转定向无线电波,经过北方时发出360度信号。这样,飞机就能正确确定地面站的确切方位。

飞机还会发出信号,由地面站接收和应答。通过接收回波的时间可以确定地面站的距离,通过频率的变化可以估算速度(称为DME–距离测量设备程序)。 通过这种方式,该系统可提供飞机导航所需的所有重要数据。

超音速:极端多普勒效应

多普勒的学生恩斯特-马赫专注于超音速飞机(340米/秒=1马赫,约1200公里/小时):

CC: Tanja Kühnel / aus dem Buch „Christian Doppler – Der für die Menschheit bedeutendste Salzburger“ von Clemens M. Hutter

当飞机加速时,它会压缩沿其运动方向发出的声波。当它达到超音速时,就会打破音障,产生 “音爆接地区域”,这就是以恩斯特-马赫命名的马赫波。

飞机发出的声波叠加在一起就形成了音障—一种强压力波。在马赫数为1时,飞机 “突破音障”,周围数公里内都能听到巨大的轰鸣声。

如果飞机以高于1马赫的速度飞行,也就是超音速飞行,那么只有当飞机已经飞过时才能听到。子弹的飞行速度也比音速快(500至800米/秒)。

商用飞机的飞行速度约为0.8马赫,而军用飞机的飞行速度为2或3马赫。