Эффект Доплера. 
Физика

Первый этап получения информации состоит в том, что часть волны проникает в приемник, а часть отражается, и отраженная волна позволяет судить о наличии приемника. Летучие мыши, кроты и дельфины (во всех трех земных средах) пользуются специальными органами, излучающими и принимающими ультразвуковой сигнал. Человек делает то же самое при звуковой и радиолокации.

Исторический экскурс Начало радиолокации связано с именем А. С. Попова: 7 мая 1895 г. он продемонстрировал усовершенствованные передатчик и приемник Г. Герца, и этот день стал в России «Днем радио». В 1897 г. во время экспериментов по радиосвязи между кораблями А. С. Попов обнаружил отражение радиоволн. На вооружение Советской армии серийные радары поступили в 1939 г., а во время Второй мировой войны ими уже широко пользовались, например при обороне Москвы и городов Англии. В настоящее время существует целый спектр наземных, морских, воздушных и космических носителей радиолокационных станций (РЛС).

Примеры практики Всякая РЛС содержит передатчик, антенну и приемник. Антенна излучает короткий сфокусированный импульс (-1 мкс), получает его часть, отраженную от цели, и передает в приемник. Тот усиливает принятый сигнал и передает, например, на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), горизонтальная развертка которой запускается синхронно с импульсом передатчика. Поэтому пауза t между началом развертки и меткой на экране определяет дальность цели R: 2R = ct. Таким же образом по положению антенны относительно начала отсчетов (меридиана и горизонта) определяют азимут и угол места цели.

Амплитуда принимаемых сигналов должна быть не ниже порога чувствительности приемника, что определяет мощность генератора и предельную дальность обнаружения цели. При мощности точечного генератора Р_г, равномерно излучающего по всем направлениям, поток мощности, падающий на единичную площадку цели, находящейся на расстоянии R, составляет Р_п ~ P_v/(lP). Обычно излучение сосредоточено в узком секторе, формируемом антенной. Тогда зависимость его мощности от расстояния определяется площадью сферического сегмента, но остается квадратичной (с другим коэффициентом пропорциональности). Мощность Р_и, рассеиваемая целью, определяется такой же зависимостью. В итоге на единицу площади приемника поступает мощность отраженного сигнала P_np= P_t./(4nR²)². КПД, как видим, ничтожный, причем чтобы повысить R вдвое, мощность Р_г передатчика нужно повышать в 16 раз. Это привело к разработке РЛС с мощностями до -10 МВт в импульсе, при которых в технике возникают неуправляемые разряды, а люди подвергаются лучевым болезням. Поэтому мощности передатчиков вынужденно понизили, но ввели при этом более сложное кодирование сигнала, позволяющее распознавать его на фоне помех.

В 1842 г. австрийский физик и астроном X. Доплер (1803—1853) обнаружил эффект, на основе которого можно определять относительную скорость объектов. Он состоит в том, что частота волны, принимаемой приемником, зависит от относительного движения приемника и источника, излучающего волну с частотой v₀. Частота v колебаний в приемнике равна числу длин волн, достигающих его за 1 с. Поскольку за это время волна проходит расстояние, равное ее фазовой скорости у_ф, то v = v, JX = v^/v/Г = v₀, где использовано X = у_фГ (Т— период колебаний). Если приемник движется к источнику со скоростью у, то за 1 с он «поглощает» больше длин волн на величину У_прД. Следовательно, v_np= v ± vJX = (1 ± «_пр/у_ф)у₀, где знак «-» относится к случаю удаления приемника от источника.

Пусть теперь источник движется к приемнику со скоростью у_|1Ст. В этом случае изменяется сама длина волны X. Если при неподвижном источнике за период Тфаза волны распространяется на Х₀ = у_фТ, то движение источника «уплотняет» это расстояние до Х= у_фГ — у_истГ (рис. 7.12).

Рис. 7.12.

Соответственно, v_np = и^/Х = х_ф/(?>_ф + v_m)Tv^yjiv_ф + v"_CT), где знак «+» относится к случаю удаления источника от приемника. Обобщая оба случая, получаем.

Формула (7.83) свидетельствует, что при сближении источника и приемника, воспринимаемая приемником частота, например звуковой волны, растет, а при взаимном удалении — уменьшается, что проявляется в сигнале проезжающего мимо автомобиля или поезда.

Для электромагнитной волны этот эффект наблюдается и в отсутствие среды — важно лишь относительное движение источника и приемника. Если у — скорость их сближения (по линии, соединяющей источник и приемник), то с учетом релятивистского эффекта формула (7.83) приобретает вид.

где р = у/с. Эффект Доплера позволяет измерять скорость v движения воздушных, подводных, наземных и космических объектов, излучающих собственную волну или отражающих волну РЛС. В последнем случае в результате переизлучения волны металлической обшивкой движущегося объекта смещение частоты удваивается. Уменьшение частоты света при удалении его источника объясняет так называемое красное смещение спектра галактик и звезд. Его обнаружил в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953), подтвердив тем самым предсказание советского теоретика А. А. Фридмана (1888—1925) о расширении Вселенной.

Примеры практики Эффектом Доплера пользуются в ГИБДД (ВАИ) для определения скорости движения автомобилей. Во время Великой Отечественной войны опытные солдаты на слух (по частоте звука) оценивали степень опасности подлетающего снаряда. Современная радиолокация отличается всевозможными ухищрениями: разные режимы поиска целей и наведения ракет, разного рода пассивные и активные помехи со стороны обнаруживаемых бортов, выведение из строя РЛС противника средствами, направленными по лучу станции. Защита от РЛС состоит также в уменьшении отражения от собственных бортов за счет поглощающих покрытий и уменьшения эффективной поверхности рассеяния, определяемой размером и формой объекта. По программе «Стеле» в США разработаны самолеты, напоминающие формой электрического ската и имеющие особую структуру поверхности. Подобной техникой располагает и отечественная авиация.