RadarElektromagnetické impulsy a ozvěny V noci vidíme letadlo ozářené světlometem, protože naše oko zachycuje paprsky odražené od letadla. Světlo je projev velmi krátkých elektromagnetických vln (vlnová délka červeného světla je přibližně 760 milimikronů, fialového 390 milimikronů). Obdobně je tomu u radaru. Radarový vysílač vysílá krátké elektromagnetické impulsy v centimetrových až metrových vlnách a radarový přijímač zachycuje odražené elektromagnetické vlny. Na přijímači lze zjišťovat jak vysílané impulsy, tak i přijímané ozvěny. Takto můžeme určovat směr, polohu a vzdálenost vyhledávaného předmětu. První dokonalé radarové přístroje měli Angličané na počátku druhé světové války. Velmi se osvědčily v bitvě o Británii. Angličané nazvali určování směru, polohy a vzdálenosti předmětů radiovými vlnami radiolokací. Američané volili název radar, složený z počátečních písmen slov Radio, Direction and Range (radio, směr a vzdálenost). Na prvním a druhém obrázku vidíme, jak letadlo vyslalo radarovým vysílačem jediný impuls, krátkodobý sled elektromagnetických vln, a jak odražené vlny jako ozvěna postupují zpět k letadlu. Impuls musí být značně krátkodobý. Kdyby trval impuls 1 vteřinu, měřila by šíře sledu elektromagnetických vln 3 × 10⁵ km vzhledem ke známé rychlosti, jíž se šíří elektromagnetické vlnění. Trvá-li impuls 1 mikrosekundu (1 μs = 10⁻⁶ s), měří šířka sledu elektromagnetických vln 300 m. Na třetím obrázku vidíme, že elektromagnetické vlny odražené na dvou předmětech vzájemně blízkých se částečně prolínají. V praxi se ukázalo, že dva předměty lze od sebe rozlišit, jestliže jejich vzdálenost je větší než polovina šíře sledu elektromagnetických vln tvořících impuls.+23Určování vzdálenosti a polohy předmětů radarem Osvětlujeme-li v zatemněné místnosti v krátkých časových intervalech nějaký předmět úzkým svazkem paprsků, odrážejí se světelné impulsy na všechny strany a jednu jejich část zachytí naše oko a předmět vidíme. Obdobně zjišťujeme předmět radarovými vlnami. Na obr. a) je schematicky znázorněn anténní systém, který je společný pro vysílač a přijímač. Jeho parabolickým zrcadlem ve spojení s dipólem se soustředí vysílaná elektromagnetická energie do úzkého prostoru. Vysílá se v krátkodobých impulsech. Dopadnou-li paprsky těchto ultrakrátkých vln na větší předmět, odrážejí se na různé strany a část se jich po odrazu vrátí zpět na anténu přijímače, kde jsou zjištěny. Délka impulsů je různá, ale velmi krátká: 10⁻¹⁰ až 10⁻⁶ sec. Asi téhož řádu jsou přestávky mezi impulsy. Vzhledem k velké rychlosti elektromagnetických vln je doba mezi vysláním impulsu a jeho návratem velmi krátká. Seznámíme se však se způsobem, jímž se měří takové velmi krátké časové intervaly. Protože rychlost šíření elektromagnetických vln je 300 000 km/s, lze vypočítat vzdálenost předmětu, od něhož se odrazily, podle vztahu d = 1/2 × 300 000 × t (km) = 150 000 × t (km), kde t značí čas v sekundách, který uplyne mezi vysláním a návratem impulsu. Na obrázku b) je schematicky vyznačeno, že k určení polohy pozorovaného předmětu je třeba stanovit azimut, výškový úhel a vzdálenost RL. Azimut se měří od jižního bodu místního poledníku.Radiogoniometrie Nejsnazší je určování polohy předmětu, který se nachází na povrchu Země. Na obr. a) je schematicky vyznačen princip radiogoniometrického určování jeho polohy. Kufříkové rádio má uvnitř rámovou anténu. Je to vodivé lanko navinuté v několika závitech na rámu. Tato anténa má směrové účinky. Příjem určité stanice je nejsilnější, je-li přijímač tak natočen, že rovina závitů směřuje k vysílací stanici. Pootočením přijímače z této polohy se příjem zeslabí. Jsou-li závity rámové antény kolmé na myšlenou spojnici vysílače s přijímačem, je příjem nejslabší nebo vůbec žádný. Zpravidla stavíme přijímač na minimum síly poslechu, neboť ho lépe a zřetelněji rozlišujeme než maximum. Ve směru kolmém na rámovou anténu je pak vysílač. Vyhledáme-li směr k vysílači ze dvou od sebe vzdálených míst a vyznačíme-li nalezené směry v podrobné mapě, můžeme dosti přesně určit polohu vysílače. Podobně mohou dvě pobřežní stanice pomocí přesných goniometrických přístrojů určit na moři polohu lodi, která vysílá radiové signály. Obě pobřežní stanice zaměřují polohu lodi podle minimálního příjmu. Zpravidla však na tomto základě určuje loď sama svou polohu na moři, jak je naznačeno na obr. b). Na pobřeží jsou umístěny vysílací stanice, které ustavičně vysílají Morseovy značky. Lodním goniometrickým přijímačem určí navigátor směry ke dvěma vysílačům, jejichž stanoviště jsou vyznačena na podrobných mapách. V průsečíku směrových přímek se nalézá loď. Goniometrické zaměřování polohy předmětu nutně vyžaduje, aby pozorovaný předmět vysílal elektromagnetické vlny. Proti tomu při radiolokačním zaměřování je nutné, aby pozorovaný předmět jen odrážel elektromagnetické vlny. Letec, jehož letoun se zaměřuje, nemá o tom vůbec tušení.Zorné pole a směrová charakteristika dipólu Dívejme se upřeně přímo před sebe. Držme ve vodorovně natažené ruce tyčku ve svislé poloze. Pohybujeme-li rukou ve vodorovné rovině, aniž pohneme okem nebo hlavou, přestaneme v polohách t₁ a t₂ tyčku vidět (obr. a). Je tedy zorné pole podle oka vymezeno dvěma polopaprsky vycházejícími z oka. Na obr. b) je znázorněna směrová charakteristika čili polární diagram zorného pole oka. Dosah zřetelného vidění je znázorněn délkou úsečky o počínající v oku a ve zvoleném směru. Na obr. c) je obdobně schematicky znázorněno zorné pole, tj. polární diagram kufříkového rozhlasového přijímače. Maximální příjem je tehdy, když rovina závitů prochází vysílačem. U radaru se používá jako antény půlvlnového dipólu (obr. d). Jmenuje se tak proto, že délka dipólu je velmi přibližně rovna polovině délky vysílané elektromagnetické vlny. Polární vyzařovací diagram půlvlnného dipólu je podobný jako u rozhlasového přijímače s rámovou anténou. Rozdíl je v tom, že nejsilnější příjem je, je-li umístěn dipól kolmo na směr k vysílačce, tedy právě naopak, než jak je tomu u rámové antény.Směrové antény Úkolem směrových antén je vysílat nebo přijímat elektromagnetické vlny v úzkém svazku určitým směrem. Dosáhneme toho například anténními kombinacemi. Jejich směrový účinek je podmíněn interferencí vlnění vycházejícího ze dvou nebo více zdrojů. Na obr. a) je schematicky vyznačen případ, kdy elektromagnetické vlny vycházejí ze zdrojů A₁ a A₂. Je-li přijímač P na ose o, dostává se vlnění do P z obou zdrojů ve stejné fázi a vzniká tzv. hlavní maximum. Po obou stranách od hlavního maxima, v místech, v nichž dráhový rozdíl obou vlnění… [Pokračování chybí: v dodaném Wordu i původním PDF schází tištěná strana 4, včetně textů k obrazům 6 a 7.]Velká kontrolní radarová anténa typu GCI Dipól i trychtýř se při radiolokaci obvykle používají ve spojení s velkou kovovou parabolickou plochou, od níž se v okamžiku vysílání impulsu odrážejí vlny do úzce směrovaného proudu elektromagnetických vln. V okamžiku přijímání se na ploše odrazí slabá přijímací vlna a po odrazu se soustředí na tutéž anténu. Ta je umístěna v ohnisku parabolické plochy. V praxi se ukázalo, že má-li být odražené vlnění ve fázi se zářením přímo vysílaným, musí být ohnisková vzdálenost λ/4 nebo o násobek λ/2 větší. Na obrázku vidíme velkou kontrolní radarovou anténu typu GCI. Umožňuje kontrolovat letadla do velkých horizontálních i výškových vzdáleností. Velmi se osvědčila při leteckých náletech na anglická města ve válečném období na počátku války.Parabolické reflektory V oboru decimetrových vln se konstruují parabolické reflektory z kovové sítě umístěné na plášti parabolického válce, v jehož ohniskové přímce je vysílací anténa. Toto uspořádání je vhodné pro lodi, neboť neklade větru velký odpor. V oboru centimetrových vln se používají parabolické válce z plného plechu. S úspěchem též užíváme rotační paraboloidy z plného plechu nebo z kovové sítě. Na obr. vidíme radarový přístroj s parabolickým válcovým reflektorem umístěným na spodní části křídla letounu.Síťové radarové reflektory Na obrázku vidíme velké síťové reflektory parabolického tvaru. V ohnisku je umístěn systém primárních zářičů tak sestavených, že vysílací paprsek je široký asi 1° až 1,5° ve směru vodorovném a asi 10° až 11° ve směru svislém. Dosah bývá značný, kolem 250 km.Hartleyův oscilátor Nyní si všimneme generátorů krátkých vln, které se používají v radiolokačních přístrojích. Nejstarší je generátor netlumených elektromagnetických vln se zpětnou vazbou. Na obrázku vidíme schéma Hartleyova oscilátoru v tříbodovém zapojení. Kmitočet tohoto oscilátoru je určen oscilačním obvodem tvořeným cívkou L a kondenzátorem C. Část napětí cívky se přivádí na mřížku triody kondenzátorem C₁. Mřížkovým svodem, jímž je odpor R, odvádí se záporný náboj, vznikající zachycením elektronů při jejich letu od katody k anodě. Vysokofrekvenční kmity mohou přecházet ke katodě kondenzátorem C₂. Mřížka triody má značné záporné napětí vůči katodě. Otočným kondenzátorem C lze oscilátor vyladit na žádaný kmitočet. Kmity oscilátoru se odebírají zpravidla pomocí vazební cívky spřažené s cívkou L. Pro generátory ultrakrátkých vln byly pro tyto přístroje vyrobeny speciální výkonné triody.Magnetron Periodický pohyb elektronů lze vytvořit v diodě, vloží-li se do magnetického pole. V silném magnetickém poli se stáčí dráha elektronů pohybujících se kolmo ke směru magnetických siločar. Tento jev byl pozorován asi v roce 1924 českým fysikem Žáčkem a nazván magnetronem. On také navrhl konstrukci magnetronu a magnetronového oscilátoru. Na obr. a) vidíme magnetronový oscilátor v původním Žáčkově uspořádání. K elektrodám diody je připojen oscilační obvod složený z Lecherových drátů a kondenzátoru. Tím ke stejnosměrnému napětí mezi anodou a katodou přistupuje střídavé napětí. Elektrony opisují periodicky uzavřené dráhy, čímž vznikají vysokofrekvenční oscilace. Zakřivení dráhy elektronů v magnetickém poli ukazuje obrázek b). Dnešní tvar magnetronu vidíme na obrázku c). Jeho anoda je zhotovena z mědi ve tvaru věnce, který má na obvodu sudý počet dutinových rezonátorů. Vlivem tzv. skinefektu probíhá na anodě proud v teninkých povrchových vrstvách. Proto lze jej chápat tak, že měď tvoří kolem každé dutiny závit přerušený mezerou, která představuje kondenzátor. Magnetron je uzavřen čelními stěnami a vnitřní prostor je dokonale vyčerpán. Magnetron může dávat krátkotrvající impulsy pro radarová zařízení o výkonu několika kilowattů až megawattů, což závisí na délce vysílaných ultrakrátkých vln.Dnešní magnetrony Na obrázku jsou fotografie moderních magnetronů, používaných v mnoha radarových zařízeních. Vlevo je otevřený magnetron, vpravo sestavený. Jejich velikost je kolem 10 cm.Schéma kombinovaného přijímače a vysílače Na obrázku je funkční schéma kombinovaného přijímače a vysílače. Přístroj má jedinou anténu (a) pro vysílání i příjem elektromagnetických vln. Automatický přepínač (ap) střídavě nesmírně rychle přepíná přístroj na vysílač (V) a přijímač (P). Přístroj má speciální impulsní zařízení k vysílání silných impulsů (I) a zvláštní kalibrovanou obrazovku (O), umožňující pozorovat vysílané impulsy a přijaté ozvěny. Přijímač i vysílač jsou napájeny zdrojem (Z).Obrazovka radaru Jak známo, protéká úzký svazek elektronových paprsků v obrazovce mezi párem vodorovných vychylovacích destiček a mezi párem svislých vychylovacích destiček. Na obrázku b) je vyznačen pohled na obrazovku zpředu a čárkovaně jsou naznačeny polohy obou párů vychylovacích destiček (X₁, X₂; Y₁, Y₂). Na desku X svislého páru destiček se připojí stálé kladné napětí, čímž klidová poloha stopy svazku elektronových paprsků je vlevo na počátku časové osy. Nechť potom mezi X₁ a X₂ působí napětí rovnoměrně se zvětšující až na maximální hodnotu průběhem 1 000 μs. Během této doby se posune stopa na stínítku obrazovky od X₁ k X₂. Pak rázem klesne vychylovací napětí na nulovou hodnotu a stopa se mžikem vrátí do výchozí polohy, kde setrvá v klidu 9 000 μs. Tento děj se opakuje stokrát za vteřinu. Popsané ovládání elektronového paprsku zveme časovou základnou. Trvá-li pohyb stopy po stínítku 1 000 μs, proběhnou za tuto dobu elektromagnetické vlny 300 km. Je-li předmět vzdálen 150 km, potom vyslaný impuls a odražená ozvěna proběhnou vzdálenost 300 km právě za 1 000 μs. Rozdělíme-li tedy v tomto případě celou časovou základnu na 180 dílků, odpovídá jeden dílek vzdálenosti předmětu od pozorovatele 1 km (obr. c). Na obr. a) je tato stupnice časové základny zvětšena. Elektronový paprsek probíhá po časové ose zleva doprava. Vlnový impuls vyslaný radarovým vysílačem přivedeme také na destičky Y₁ a Y₂. Tím se vychýlí elektronový paprsek na počátku časové osy tak, jak je vyznačeno na obrázku na levém kraji stupnice. Pak se pohybuje elektronový paprsek vlivem výše zmíněného vychylovacího napětí po časové ose. V okamžiku, kdy se impuls jako ozvěna vrátí do přístroje, vytvoří druhou výchylku od časové osy. Na našem obrázku jsme vyznačili, že se ozvěna vrátila do přístroje po 60 μs od vyslání impulsu. Za tuto dobu proběhl impuls 180 km, odrazil se tedy od předmětu vzdáleného 90 km. Proto výchylka vytvořená ozvěnou je u 90. dílku kilometrové stupnice. Přepínačem lze měnit frekvenci časové základny. Na obr. d) je situace, kdy v generátoru časové základny jeden kmit trvá 100 μs. Za tuto dobu proběhnou elektromagnetické vlny dráhu 30 km. Je tedy vzdálenost předmětu, od něhož se vrátí ozvěna za 100 μs, rovna 15 km. Rozdělíme-li časovou osu obrazovky na 10 dílů, odpovídá jeden dílek vzdálenosti 1,5 km. Na obrázku vidíme, že obrazovka zaznamenala dvě překážky, a to větší na vzdálenost 4 km, menší na vzdálenost 12,5 km. Vzdaluje-li se předmět od pozorovatele, je doba návratu ozvěny stále větší, výchylka vzniká o něco dále vpravo než předcházející. Pozorovatel vnímá pomalý pohyb výchylky směrem napravo. Blíží-li se pozorovaný předmět, vnímá pozorovatel na stínítku obrazovky pohyb výchylky směrem vlevo.Otáčivé radarové antény a panoramatická obrazovka Byly sestrojeny obrazovky, u nichž časová základna vychází ze středu stínítka směrem k okraji a otáčí se kolem dokola dvacetkrát i vícekrát za minutu. Anténa se též otáčí. Její otáčky jsou synchronizovány s otáčkami časové základny panoramatické obrazovky (obr. a). Anténa úzkým svazkem elektromagnetických vln ohmatává terén a na stínítku obrazovky pozoruje pozorovatel určitou mapu, na níž světlá místa odpovídají difúzně reflektujícím místům zemského povrchu, jako jsou kopce, budovy, továrny. Tmavá místa odpovídají pohlcujícím plochám (lesy) nebo plochám dokonale odrážejícím záření mimo zorné pole (vodní hladina). Na obr. b) vidíme, že radarový přijímač zachytil odraz od dvou překážek, které jsou ve směru severovýchodním ve vzdálenosti 40 a 120 km. Základna se zvolna otáčí, ale stopy vytvořené na stínítku obrazovky září dlouho, takže mohou bod po bodu vytvořit na stínítku celou mapu pozorovaného prostoru. Takto letci pomocí radaru s panoramatickou obrazovkou získávají dokonalou orientaci o krajině pod sebou i v noci a mlze.Panoramatické letecké snímky Vlevo vidíme radarový letecký snímek New Yorku. Na této fotografii značí a Ústřední park, b Brooklynský most, c železniční koleje, d řeku Hudson s přístavy. Vpravo jsou radarové letecké snímky bombardérů a stíhaček nad Severním mořem, formujících se k leteckému útoku. Snímky byly pořízeny v intervalu 15 minut. Na horním jsou ještě jednotlivá letadla rozptýlena, na dolním jsou již v bojové formaci.Lodní radarový přijímač Nyní ukážeme fotografie užití radaru. Na tomto obrázku je lodní radarový přijímač. Všimněte si pevné konstrukce přístroje, který je určen pro těžké podmínky provozu na nákladních lodích.Použití radaru ve vojenství Na levém obrázku vidíme fotografii radarového zařízení na válečné lodi. Je opatřeno Yagiho anténním systémem. Vpravo je dělostřelecká baterie řízená radarovým zařízením.Radarová ozvěna z Měsíce a zjištění meteorů Na horním obrázku je fotografie záznamu radarové ozvěny z Měsíce. Pozorujeme tři záznamy ozvěn. Vyslané impulsy, které vytvořily ostrou svislou čáru, byly vysílány po 2,2 s. Odraz radarových vln od Měsíce se poprvé zdařil roku 1946 při vzdálenosti Měsíce od Země 380 000 km. Roku 1959 se již podařil odraz od planety Venuše vzdálené 45 000 000 km. K tomuto, dosud největšímu úspěchu radarové techniky bylo vyvinuto nejdokonalejší vysílací a zejména přijímací zařízení. Použitý parabolický reflektor měl průměr 25 m. Návrat ozvěny se objevil za 295 506,5 ms, tj. asi za 5 minut. Na dolním obrázku jsou fotografie radarového zjišťování meteorů. Letí-li meteor atmosférou, vytvoří za sebou tenký válec ionizovaného vzduchu, který se však rychle rozpíná do všech stran. Výhodou je, že dráha ionizovaného vzduchu měří několik desítek km a že trvá poměrně dlouho, než ionizace vymizí. Ke zjišťování meteorů se používá vlnových délek od 4 do 10 m. Kratší vlny pronikají meteorickou stopou a delší vlny se odrážejí od ionosféry, takže meteor by nebylo možno zjistit. Pomocí radaru lze zjistit počet meteorů, které například za hodinu vniknou do zemské atmosféry. Pozorování lze provádět ve dne i v noci za jakéhokoliv počasí. Přehled o průměrné frekvenci meteorů získáme, použije-li se anténní systém rotující kolem svislé osy. Takto lze sledovat meteorické roje. Radarem byly zjištěny i denní roje a roje vyskytující se v blízkosti Slunce. Radarem lze určovat rychlost meteorů a směr jejich letu. Radarová měření prokázala, že většina meteorů se pohybuje po eliptických drahách. Patří tyto meteory tedy do sluneční soustavy a nepřilétávají z mezihvězdného prostoru, jak se dříve soudilo.Pozorování meteorických jevů radarem Nejnověji používají i meteorologové radar ke svým výzkumům. Na obrázku jsou fotografie radarových záznamů charakteristické struktury dešťů. Meteorologové získali v radaru novou pomoc při studiu otázek, které úzce souvisí s proměnou počasí.Radioteleskop Zkušenosti z příjmu radiolokačních signálů se uplatnily u radioteleskopu. Na obrázku vidíme radioteleskop, kterým se měří radiové záření Slunce v Astronomickém ústavu v Ondřejově. Měření se provádí nepřetržitě od východu Slunce do západu. Radioteleskop se samočinně otáčí za Sluncem a měření probíhají i za deštivého počasí. Parabolický reflektor je sestaven z perforovaných plechových plátů. V ohnisku je vlastní anténa. Slunce vysílá radarové vlny jako každé žhnoucí těleso. S rostoucí teplotou se maximum intenzity tohoto záření posouvá směrem ke kratším vlnám. U slunečního záření je maximum v oboru viditelného záření. Na centimetrových vlnách je záření Sluncem poměrně malé. Na metrových vlnách tepelná složka občas nápadně zesílí zářením zřejmě jiného původu. Zkoumání tohoto jevu ukázalo, že úzce souvisí s výskytem slunečních skvrn a s erupcemi v chromosféře. Kromě toho lze zachytit radiové záření z některých míst vesmíru, kde předpokládáme tzv. radiohvězdy, tj. hvězdná tělesa, jež viditelné světlo nevydávají, ale silně vyzařují radiové vlny. Dodnes není jednoznačně rozhodnuto o původu tohoto záření. V poslední době se studuje radiové záření vlnové délky 21 cm, jež odpovídá záření vodíku. Vodík je v mezihvězdném plynu a ve spirálních ramenech galaxií. Proto radiové vlny o délce 21 cm mohou hodně prozradit o tvaru a pohybu Galaxie, jejíž součástí je naše sluneční soustava.U obrazovky radioteleskopu Na obrázku vidíme naše ondřejovské astronomy při práci u obrazovky oscilografu, na které sledují signály zachycené radioteleskopem.Radioteleskop Pulkovské astronomické observatoře Sovětská astronomie zaujímá ve světě přední místo. Mezi vynikající sovětské astronomické observatoře patří observatoř v Pulkově. Sovětská vláda vybavila tuto observatoř nejmodernějšími přístroji. Na obrázku vidíme radioteleskop Pulkovské astronomické observatoře, kterým se sleduje radiové záření Slunce i jiných kosmických zdrojů.׋›RadarVýrobceDPrahaRok1961Délka27 okénekAutor textuVoráček MiroslavPředlohaFYZKOznačení2596Další diafilmy výrobceÚspěchy čs. strojírenství II.Žací mlátička E 512 I.Vinutí elektrických strojů na střídavý proudVýstava fotoreportérů ČTK 68-89
