Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 21. Физические основы современных беспроводных средств связи. Радиолокация

Обратившись к шкале электромагнитных волн (см. рис. 20.1), увидим, что наибольший ее участок принадлежит радиоволнам. Так как частоты этих волн существенно отличаются, то отличаются и свойства волн. Подробнее о радиоволнах вы узнаете в старшей школе, а сейчас остановимся на применении ультракоротких радиоволн (длиной от нескольких сантиметров до нескольких метров).

1. Изучаем особенности распространения ультракоротких радиоволн

По своим свойствам ультракороткие радиоволны очень близки к световым лучам: они распространяются в пределах прямой видимости, их можно посылать узкими пучками. Именно эти свойства обеспечили широкое применение ультракоротких радиоволн в радиолокации, беспроволочной связи, спутниковом телевидении. Узкий луч меньше рассеивается (что позволяет применять менее мощные передатчики), его проще принимать.

2. Узнаём, почему мобильную радиосвязь называют сотовой

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Для сотовой связи используют электромагнитные волны частотой от 450 до 3000 МГц. Главная особенность такой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на небольшие участки — соты (их так называют, поскольку они имеют форму шестиугольника). Каждая ячейка сот имеет площадь около 25 км² и обслуживается отдельной базовой станцией. Соты, частично перекрываясь, образуют сеть (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Основные составляющие сотовой сети: сотовые телефоны, базовые станции, центры коммутации

Каждый из вас умеет пользоваться мобильным телефоном. А как он осуществляет связь?

Когда вы включаете телефон, он начинает «прослушивать» эфир и улавливает сигнал базовой станции той ячейки, где вы на данный момент находитесь. После этого телефон излучает радиосигнал — посылает станции свой идентификационный код. С этого момента телефон и станция будут поддерживать радиоконтакт, периодически обмениваясь сигналами.

Но вы не всегда находитесь в одном месте, и, если в какой-то момент окажетесь в другой ячейке, ваш телефон наладит связь с базовой станцией этой ячейки. Ячейки частично перекрываются, поэтому вы даже не заметите, что вас начала обслуживать другая станция. А вот если телефон не сможет найти ближайшую станцию и передать ей свой код, связь прервется и на дисплее появится информация об отсутствии сети.

Описанными процессами «руководят» центры коммутации, которые связаны с базовыми станциями проводными каналами связи. По сути центр коммутации непрерывно «отслеживает» месторасположение вашего мобильного телефона. Он «передает» вас, как эстафетную палочку, от одной базовой станции к другой, когда вы «путешествуете» из ячейки в ячейку. Именно через центры коммутации осуществляется выход на другие сети: вы можете позвонить товарищу, телефон которого обслуживается другим оператором, сделать звонок на стационарный телефон, воспользоваться Интернетом и т. д.

3. Изучаем радиолокацию

Свойство радиоволн отражаться от металлов установил Г. Герц. Со временем выяснили, что электромагнитные волны отражаются от любых тел, и чем лучше тело проводит электрический ток, тем больше энергия отраженной волны. На отражении радиоволн основана радиолокация.

Радиолокация — способ обнаружения, распознавания и определения местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка — радиолокатор (радар) — обеспечивает излучение радиоволн, а также прием радиоволн, отраженных от объекта (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Принцип работы радиолокатора

Если радиоволны излучать во всех направлениях или широким пучком, они будут отражаться одновременно от многих тел и выяснить, где находится интересующий объект, например самолет, будет невозможно. Поэтому радиолокатор посылает волны направленно и узким пучком, а обнаружение отраженного сигнала свидетельствует, что объект находится в направлении распространения радиоволн (рис. 21.3).

Рис. 21.3. Излучение узкого направленного пучка ультракоротких радиоволн и прием отраженного сигнала обеспечивает параболическая антенна радиолокатора

Различают два основных режима работы радиолокатора. В режиме поиска (сканирования) антенна радиолокатора все время сканирует пространство (например, поворачивается по горизонтали и одновременно движется вниз-вверх). В режиме наблюдения антенна все время направлена на выбранный объект.

4. Выясняем, как работает радиолокатор

Радиосигнал, посылаемый радиолокатором, представляет собой короткий (продолжительностью миллионные доли секунды), но очень мощный импульс. Как только импульс послан, антенна радиолокатора автоматически переключается на прием: радиолокатор «слушает» эфир — ждет отраженного сигнала. У приемника высокая чувствительность (отраженный радиосигнал довольно слаб), поэтому на время излучения импульса приемник отключают, иначе аппаратура испортится.

Через определенный интервал времени (значительно больший, чем продолжительность импульса) антенна снова переключается на радиопередатчик, а радиолокатор посылает следующий импульс.

Расстояние s до объекта определяют по времени t прохождения радиоимпульса до цели и обратно. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе практически равна скорости распространения света в вакууме (с = 3 • 10⁸ м/с), поэтому:

Интервал времени t очень мал. Так, если расстояние до объекта равно 120 км, то отраженный радиосигнал вернется через 0,8 мс (t = 2s/c).

5. Применяем радиолокацию

Радиолокаторы создавались исключительно в военных целях — для обнаружения самолетов противника (рис. 21.4). Со временем радиолокацию стали применять в других областях. Сейчас все воздушные, морские и океанские суда оснащены радиолокаторами — они помогают найти свободные проходы между облаками или айсбергами, в плохую погоду избежать столкновения с другими судами, уточнить курс и т. д. (рис. 21.5).

Рис. 21.4. Современный «летающий радар» может обнаружить самолет противника на расстоянии 540 км

Рис. 21.5. Радар современного морского судна

Радиолокационные станции в аэропортах помогают совершить посадку воздушным судам, а станции, установленные вдоль побережья, обеспечивают безопасный вход кораблей в порт.

Радиолокацию применяют в научных исследованиях, метрологии, сельском и лесном хозяйстве. Она помогает составить карты рельефа земной поверхности, исследовать плотность растительного покрова, обнаружить лесной пожар, определить состав почвы и т. д.

Важное значение имеет радиолокация в космических исследованиях. Запуски и посадки космических аппаратов невозможны без использования радиолокаторов. С помощью радиолокации были уточнены расстояния до Луны, Венеры, Марса. Радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Венеры, помогли проникнуть сквозь толщу облаков этой планеты и определить ее рельеф.

Подводим итоги

Сейчас особенно широко используют волны ультракороткого диапазона: с помощью специальных антенн их можно направить узким пучком, который меньше рассеивается, что позволяет использовать менее мощные передатчики; ультракороткие радиоволны применяют в сотовой связи, спутниковом телевидении, радиолокации. Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.

Радиолокация — обнаружение, распознавание и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн. Радиолокатор создает узкий направлений пучок радиоволн и принимает радиоволны, отраженные от объектов. Расстояние до объекта определяют по времени прохождения радиоимпульса до объекта и обратно: s = ct/2.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит основное преимущество ультракоротких радиоволн? 2. Что такое сотовая связь? Как она организована? 3. Что такое радиолокация? На чем она основана? 4. Опишите принцип работы радиолокатора. 5. Как с помощью радиолокации определяют местонахождение объекта (расстояние до объекта, направление, в котором он расположен)? 6. Где применяют радиолокацию?

Упражнение № 21

1. На каком расстоянии обнаружен объект, если отраженный сигнал вернулся через 20 мкс после отправления?

2. Радиолокатор работает на частоте 6 • 10⁸ Гц. Радиоволну какой длины он излучает?

3. Особенности ультракоротких радиоволн (практически не отражаются от ионосферы, их можно направить узким пучком) обеспечили их широкое применение. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, как организованы спутниковое телевидение и спутниковая связь.

4. Применение радиолокационных станций для обнаружения военных машин (самолетов, кораблей) послужило причиной активного поиска способов «спрятать» военную технику. Так появилась стелс-технология. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, удалось ли хотя бы частично «спрятать» военные машины. Если удалось, то как?

Энциклопедическая страница

Дистанционное зондирование Земли

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — это наблюдение и изучение поверхности нашей планеты с помощью приборов, расположенных на большой высоте (например, на спутниках или самолетах). Где используют ДЗЗ?

С технической точки зрения, самая простая область применения ДЗЗ — прогноз погоды. На этом примере и выясним, как работает система.

Обычно телевизионные прогнозы погоды сопровождаются снимками из космоса (рис. 1). Однако яркие картинки на телеэкране — это, конечно, не все, что нужно для прогноза погоды!

Рис. 1. Телевизионный прогноз погоды с использованием спутниковых снимков

Спутник не может сфотографировать всю поверхность Земли сразу. Как фары автомобиля освещают только дорогу, оставляя обочины в темноте, так и спутник, облетая вокруг Земли, «видит» только определенную полосу. Ширина этой полосы может колебаться от 7 до 1500 км и зависит от необходимой точности исследования: чем детальнее получаемая информация, тем уже полоса. Во время следующего оборота спутник «осматривает» сопредельную полосу и т. д. Если объединить полученные данные от нескольких таких полос, можно получить «картинку» для большой территории, например для всей Украины (рис. 2).

Рис. 2. Карта Украины со спутника

Спутник передает полученную информацию на приемные антенны; информацию обрабатывают и преобразуют в обычные фотографии. Затем информация передается метеорологам, которые объединяют данные из космоса с результатами наземных наблюдений и на основе сложных математических моделей прогнозируют температуру и состояние атмосферы на день, неделю, месяц...

Для анализа состояния поверхности Земли используют целую «армию» спутников. Большинство из них получают данные в диапазоне видимых глазу электромагнитных волн, но есть и такие, которые зондируют поверхность электромагнитными пучками в диапазоне сантиметровых радиоволн (СВЧ-излучение), а также радиоволн большей длины (свыше 1 м).

Получением и обработкой данных со спутников занимаются разные организации; в нашей стране их работу координирует Государственное космическое агентство Украины.

Данные из космоса используют также для анализа состояния снежного покрова, прогноза наводнений, пожаров, засухи, землетрясений, оценки будущих урожаев и для многого другого. Например, чтобы избежать аварии при столкновении со льдами, капитанам кораблей очень важно знать ледовую обстановку. Такие данные тоже получают из космоса.