雷达是我们周围都在使用的东西，尽管它通常是看不见的。空中交通管制使用雷达跟踪地面和空中的飞机，并引导飞机顺利着陆。警方使用雷达探测过往驾车者的速度。NASA 使用雷达来绘制地球和其他行星的地图，跟踪卫星和空间碎片，并帮助进行对接和机动等工作。军方用它来探测敌人并引导武器。

气象学家使用雷达来追踪风暴、飓风和龙卷风。雷达是一项非常有用的技术。

当人们使用雷达时，通常能完成以下三件事之一：

• 检测远处物体的存在- 通常“某物”正在移动，例如飞机，但雷达也可用于检测埋在地下的静止物体。在某些情况下，雷达也可以识别物体；例如，它可以识别它检测到的飞机类型。
• 检测物体的速度——这就是警察使用雷达的原因。
• 绘制一些东西——航天飞机和轨道卫星使用一种叫做合成孔径雷达的东西来绘制行星和卫星表面的详细地形图。

所有这三项活动都可以使用您在日常生活中可能熟悉的两件事来完成：回声和多普勒频移。这两个概念在声音领域很容易理解，因为您的耳朵每天都会听到回声和多普勒频移。雷达利用无线电波使用相同的技术。

1. 回声
2. 多普勒频移
3. 了解雷达

回声

回声是您一直在体验的东西。如果你对着井或峡谷大喊，回声会在片刻后回来。回声的出现是因为您喊叫声中的一些声波从表面（井底的水或远端的峡谷壁）反射回来并传回您的耳朵。从您大喊大叫到听到回声之间的时间长度取决于您与产生回声的表面之间的距离。

用 Echo 计算深度

当你向井里喊叫时，你喊叫的声音会沿着井底传播，并在井底的水面上反射（回声）。如果测量回声返回所需的时间并且知道声速，则可以相当准确地计算井的深度。

多普勒频移

多普勒频移：车后的人听到的声音比司机低，因为汽车正在开走。前面的人听到的声音比司机高，因为汽车正在靠近。

多普勒频移也很常见。您可能每天都会经历它（通常没有意识到）。多普勒频移发生在声音由移动物体产生或被移动物体反射时。极端的多普勒频移会产生音爆（见下文）。以下是了解多普勒频移的方法（您可能还想在空旷的停车场尝试这个实验）。假设有一辆车以每小时 60 英里 (mph) 的速度向您驶来，并且喇叭在响。当汽车接近时，您会听到喇叭播放一个“音符”，但当汽车经过您时，喇叭的声音会突然转变为较低的音符。它是同一个喇叭一直发出同样的声音。您听到的变化是由多普勒频移引起的。

这就是发生的事情。停车场内空气中的声速是固定的。为了计算简单，假设它是 600 英里/小时（确切的速度取决于空气的压力、温度和湿度）。想象一下汽车静止不动，它离你正好 1 英里，它按喇叭整整一分钟。喇叭发出的声波将以 600 英里/小时的速度从汽车向您传播。您将听到 6 秒的延迟（声音以 600 英里/小时的速度传播 1 英里），然后是一分钟的声音。

现在假设汽车以 60 英里/小时的速度向您驶来。它从一英里外开始，按喇叭的时间正好一分钟。您仍然会听到 6 秒的延迟。但是，声音只会播放 54 秒。那是因为一分钟后汽车就在你旁边，一分钟结束时的声音会立即传给你。汽车（从驾驶员的角度来看）仍在按喇叭一分钟。但是，由于汽车在行驶，因此从您的角度来看，一分钟的声音会被压缩到 54 秒。相同数量的声波被压缩到更短的时间内。因此，它们的频率增加，喇叭的音调听起来更高。当汽车经过您并离开时，这个过程会逆转，声音会扩大以填补更多时间。所以，

您可以通过以下方式组合回声和多普勒频移。假设您向向您驶来的汽车发出响亮的声音。一些声波会从汽车上反弹（回声）。但是，由于汽车正向您驶来，因此声波会被压缩。因此，回声的声音将比您发送的原始声音具有更高的音调。如果您测量回声的音高，您可以确定汽车的行驶速度。

音爆

虽然我们在这里讨论声音和运动的主题，但我们也可以理解音爆。假设汽车正以完全音速——700 英里/小时左右的速度向你驶来。汽车正在按喇叭。喇叭产生的声波不能比声速快，所以汽车和喇叭都以 700 英里/小时的速度向你冲来，所以汽车发出的所有声音都会“堆积”起来。你什么也听不见，但你可以看到汽车正在靠近。就在汽车到达的同一时刻，它的所有声音也是如此，而且声音很大！那是音爆。

当船在水中行驶的速度快于波浪在水中的速度时，同样的现象也会发生（湖中的波浪以大约 5 英里/小时的速度移动——所有波浪都以固定的速度穿过它们的介质）。船产生的波浪“叠加”并形成您在船后看到的 V 形弓波（尾波）。弓形波实际上是一种音爆。它是船产生的所有波浪的叠加组合。尾流形成 V 形，V 形的角度由船速控制。

了解雷达

我们已经看到声音的回声可以用来确定某物有多远，我们还看到我们可以使用回声的多普勒频移来确定某物的速度。因此，可以创建“声音雷达”，而声纳正是如此。潜艇和船只一直使用声纳。你可以对空中的声音使用相同的原理，但是空中的声音有几个问题：

• 声音不会传播很远——最多可能是一英里。
• 几乎每个人都能听到声音，因此“声音雷达”肯定会打扰邻居（您可以通过使用超声波而不是可听见的声音来消除大部分问题）。
• 因为声音的回声会很微弱，很可能很难察觉。

因此，雷达使用无线电波而不是声音。无线电波传播很远，对人类是不可见的，即使在微弱的情况下也很容易被发现。

让我们以一个典型的雷达装置为例，设计用于探测飞行中的飞机。雷达装置打开其发射器并发射出短暂的、高强度的高频无线电波脉冲。爆发可能持续一微秒。然后雷达装置关闭其发射器，打开其接收器并监听回波。雷达装置测量回波到达所需的时间，以及回波的多普勒频移。无线电波以光速传播，大约每微秒 1,000 英尺；所以如果雷达组有一个好的高速时钟，它可以非常准确地测量飞机的距离。使用特殊的信号处理设备，雷达组还可以非常准确地测量多普勒频移并确定飞机的速度。

在地基雷达中，潜在的干扰比在空基雷达中要多得多。当警用雷达发出脉冲时，它会在各种物体上产生回声——栅栏、桥梁、山脉、建筑物。消除所有此类杂波的最简单方法是通过识别它不是多普勒频移来过滤掉它。警用雷达只寻找多普勒频移信号，并且由于雷达波束聚焦紧密，它只能击中一辆车。

警方现在正在使用激光技术来测量汽车的速度。这种技术称为激光雷达，它使用光而不是无线电波。