СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, ДВИЖУЩЕГОСЯ БЫСТРЕЕ, ЧЕМ ИСПУСКАЕМЫЕ ИМ ВОЛНЫ Российский патент 1998 года по МПК G01S11/10 

Изобретение относится к метрологии физических процессов и может быть использовано в таких областях, как, например, физика элементарных частиц, астрофизика, акустика, причем тип объекта может быть любым (элементарная частица, макроскопический объект или уединенная волна типа солитона) и тип испускаемых им волн (электромагнитная волна, акустическая волна, плазменная волна) также может быть любым и в любом их комбинации. Существенным лишь является условие превышения величиной скорости движения объекта величины фазовой скорости испускаемых им волн.

Известен способ определения кинематических характеристик элементарных частиц, проходящих через радиатор черенковской камеры [1]. Известно, что условием возникновения излучения Вавилова-Черенкова является именно превышение скоростью частицы фазовой скорости электромагнитных волн в веществе радиатора. Этот способ основан на фотографировании получаемого на экране электронно-оптического преобразователя видимого изображения конуса черенковского излучения. Этим способом определяют скорость движения частицы, но при этом нельзя определить расстояние до частицы в данный момент времени и, кроме того, если частицы является осциллятором, нельзя найти частоту ее излучения.

Известен способ определения скорости и расстояния до объекта, движущегося быстрее, чем испускаемые им волны (например, квазара, обладающего видимой сверхсветовой скоростью), применяемый в астрофизике и основанный на использовании постоянной Хаббла [2], заключающийся в регистрации линейчатого спектра излучения объекта, отождествлении частот полученного спектра с известными частотами, составляющими линейчатые спектры излучения или поглощения различных атомов и молекул, определении величины смещения линий объекта за счет эффекта Допплера (обычно красного смещения), нахождении по полученному красному смещению скорости объекта и определении расстояния до него, применяя постоянную Хаббла. Этот способ выбран за прототип.

Недостатком способа - прототипа является то, что величина этой постоянной известна недостаточно точно (50 - 100 км/с Мпс), (см. с. 30 - 32, Новиков И. Д. Эволюция вселенной. М.: Наука, 1979, 176 с.), что, разумеется, вносит большую погрешность в определение дальности до объекта до объекта и, кроме того, невозможно установить направление его движения. Если же объект участвует в пекулярном движении, то применение постоянной Хаббла вообще неоправдано. Кроме того, если спектр объекта оказывается не линейчатым, провести отождествление полученного спектра с известными атомными и молекулярными спектрами нельзя.

Техническая задача изобретения состоит в повышении точности определения кинематических параметров движения объекта, а также расширении области применимости способа путем исключения необходимости отождествления регистрируемого спектра с известными для случая излучения исследуемым объектом континуум-спектра.

Решение этой задачи позволит, например
а) в астрофизике - правильно определять кинематические параметры объектов, обладающих видимыми сверхсветовыми скоростями, что необходимо для получения информации об их внутренней структуре;
б) в физике элементарных частиц - определять необходимый набор кинематических параметров частиц, получившихся в результате ядерных реакций и движущихся в черенковских радиаторах, для получения информации о механизмах этих реакций;
в) в акустике - повысить точность акустической локации
Технический результат заключается в повышении точности определения кинематических характеристик движения объекта, таких как направление и скорость движения, расстояние до объекта и частоту излучения, за счет исключения необходимости использования постоянной Хаббла, а также в расширении области применимости способа к объектам, излучающим континуум-спектр.

Технический результат достигается тем, что способ определения кинематических параметров движения объекта, движущегося быстрее, чем испускаемые им волны, в отличие от известного способа, состоящего в том, что регистрируют спектр волн, испускаемых объектом, и определяют его кинематические параметры движения, заключается в том, что регистрируют спектры двух изображений объекта в определенный момент времени t₀, измеряют частоты ω₁(t₀) и ω₂(t₀) испускаемых объектом волн, соответствующие одной и той же характерной детали спектров для этого момента времени, регистрируют спектры двух изображений объекта через известный интервал времени τ измеряют частоты ω₁(t₀+τ) и ω₂(t₀+τ) испускаемых объектом волн, соответствующие той же характерной детали спектров, как в первой паре, по знаку разности частот (ω₁(t₀)-ω₂(t₀)), либо (ω₁(t₀+τ)-ω₂(t₀+τ)) определяют направление движения объекта, находят по определенной зависимости с учетом найденного направления движения объекта, полученных частот ω₁(t₀), ω₂(t₀), ω₁(t₀+τ), ω₂(t₀+τ) и известного интервала времени τ скорость движения объекта ν , расстояние до объекта S и частоту испускаемых им волн Ω .

Способ основан на аномальном эффекте Допплера и заключается в том, что при прямолинейном движении объекта, скорость которого больше фазовой скорости испускаемых им волн, датчик, регистрирующий эти волн, в какой-то момент времени в определенной точке траектории движения объекта, положение которой зависит от расстояния до оси движения и отношения скорости объекта к фазовой скорости волны, регистрирует рождение двух изображений этого объекта, разлетающихся в противоположных направлениях с переменными по времени и различными векторами скорости и, соответственно, переменными по времени и различными частотами испускаемых ими волн, причем модуль вектора скорости прямого изображения, то есть движущегося по направлению движения объекта, оказывается меньше, чем модуль вектора скорости обратного изображения, а частоты прямого изображения лежат выше, чем соответствующие частоты обратного.

Для объяснения вышеуказанного рассмотрим прямолинейное равномерное движение объекта, скорость которого ν , больше фазовой скорости c(ν > c) испускаемых им волн. Пусть на расстоянии d от траектории движущегося объекта располагается датчик, регистрирующий испускаемые этим объектом волны. Расположим на прямой, по которой движется излучающий объект, ось координат O_x с положительным направлением вдоль направления движения объекта так, чтобы проекция положения датчика на эту ось имела нулевую координату. Тогда волна, испущенная объектом из точки с координатой x, придет к датчику на время
,
раньше волны, испущенной этим же объектом из точки со значением координаты x+Δx. Таким образом, датчик фиксирует движение объекта с кажущейся скоростью
.

В этих рассуждениях нет ограничений на величину реальной скорости объекта, однако легко заметить, что при ν > c в выражении (2) появляется особенность в точке с координатой

левее которой кажущаяся скорость отрицательна.

Поясним, что же регистрирует датчик: в некоторый момент времени на прямой в точке, координата которой определяется выражением (3), появляются два изображения объекта, начинающие двигаться в противоположные стороны с бесконечными скоростями. По мере удаления от точки рождения (3) движение изображений замедляется, и в пределе

Такое поведение изображений иллюстрируется графиком зависимости (2) (фиг. 1). Рождение двух изображений также схематично показано на фиг. 2, 3, с помощью принципа Гюйгенса: в момент рождения к датчику приходит одна сферическая волна (фиг. 2), в последующие моменты к датчику приходят две сферические волны (фиг. 3).

Факт рождения двух изображений объекта, движущего быстрее, чем испускаемые им волны, описан, например, в работе (Болотовский Б.М. и Быков В.П. Излучение при сверхсветовом движении заряда. - УФН, 1990, т. 160, вып. 6, с. 141 - 161) для сверхсветового движения источника электромагнитного излучения, а также в работе (Коломенский А.А. Излучение звука оптико-акустическим источником, движущимся по конечной траектории. - Акуст. ж., 1979, т. 25, вып. 4, с. 547 - 555) для сверхзвукового источника акустических волн. Этим же объясняется наблюдение с земли пролетающего сверхзвукового самолета, когда наблюдатель видит один летящий самолет и слышит, как будто над ним раздается звуковой удар, соответствующий рождению двух звуковых изображений, а далее слышит звук двух удаляющихся в противоположные стороны самолетов.

Решая дифференциальное уравнение (2), при условии, что начальный момент времени t = 0 соответствует моменту рождения двух изображений, получаем временную зависимость координат положения двух изображений на оси.

где знак плюс соответствует прямому, а знак минус - обратному изображениям.

Пусть далее объект излучает волны на частоте Ω в собственной системе отчета. На с. 371 в кн. (Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т. VI Гидродинамика. М. : Наука, 1988, 736 с.) дается выражение для частоты в системе отсчета, связанной с наблюдателем,

имеющей формально тот же вид, что и выражение (2), при этом отрицательной кажущейся частоте для обратного изображения соответствует убыванию фазы или, что то же самое, кажущаяся "инверсия времени". В этом заключается проявление так называемого аномального эффекта Допплера (Болотовский Б.М. и Быков В.П. К теории аномального эффекта Допплера. - Изв. ВУЗов. Радиофизика 1989, т. 32, вып. 3, с. 386 - 388). В реальной ситуации в результате измерения получают положительное значение частоты для обоих изображений, поэтому в выражениях для регистрируемых частот необходимо поставить знак абсолютной величины.

При подстановке выражения (5) в (6), получаем временные зависимости частот, соответствующих обоих изображениям.

при подстановке в которые моментов t₀ и t₀+τ, получаем выражения

где
d - кратчайшее расстояние от датчика до траектории движения объекта, и c - скорость распространения излучаемых волн, причем во всех уравнениях системы берется верхний знак, если ω₁(t₀)-ω₂(t₀) > 0 или ω₁(t₀+τ)-ω₂(t₀+τ) > 0 , в противоположном случае берется нижний знак.

Осуществление способа происходит следующим образом. В регистрируемых датчиком двух спектрах изображений выбирается для каждого какая-нибудь одинаковая характерная деталь, например максимум для континуум-спектра или линия для линейчатого спектра и измеряются частоты, соответствующие этим характерным деталям для фиксированного момента времени. Через некоторый интервал времени (границы которого зависят от области применения способа) производится второе измерение тех же параметров (имеющих теперь другие значения) у первоначально выбранных деталей спектров и, кроме того, измеряется сам интервал времени τ . По знаку разности частот определяем видимое направление движения объекта. Полученные значения подставляются в формулы (8) - (11) и решается система четырех уравнений с четырьмя неизвестными, откуда находятся скорость объекта ν , кратчайшее расстояние от датчика до траектории, по которой движется объект d, и частота излучаемых объектом волн Ω . Четвертой неизвестной в данной системе уравнений является время t, так как момент начального отсчета времени неопределен. Из найденных результатов по формуле

находим реальное (а не видимое) расстояние до этого объекта S в любой момент времени в настоящем, будущем или прошлом, так как уже известен момент (точная дата) рождения изображений объекта, а также расстояния от датчика до прямого и обратного изображений объекта S₁ и S₂ из формул

Поскольку объект и его изображения расположены на одной траектории (прямой) и мы уже знаем расстояния от датчика до них в один и тот же момент времени и кратчайшее расстояние от датчика до траектории движения объекта, то мы можем найти любую точку на этой траектории и, следовательно, определить реальное направление движения объекта.

Как видно из вышеизложенного, способ позволяет определить одновременно большее количество кинематических параметров объекта, движущегося быстрее фазовой скорости испущенных им волн, чем это позволяют способы-аналоги, а кроме того, точность определения существенно повышена по сравнению с прототипом за счет отказа от использования постоянной Хаббла. Отметим, что перечисленные преимущества данного способа достигнуты, по сути, благодаря правильной интерпретации особенностей наблюдения за движением рассматриваемых объектов. Кроме того, не имеет значения, какой вид спектра, линейчатый или континуум, регистрируется.

Рассмотрим пример технической реализации данного способа применительно к квазарам в астрофизике. По мнению авторов, квазар представляет собой одиночный объект, аналогичный, например, уединенной волне в плазме с фазовой скоростью, превышающей скорость света. О возможности существования сверхсветовых волн в плазме известно Ishii T.K. Giakos G.C. Transmit radio messages faster than light. - Microwaves & RF, 1991, v. 30, N 8, pp. 114 - 119; Реф. Ж.: Физика, 1992, N 9, 9Ж 65).

Отметим, что видимые сверхсветовые скорости движения квазаров, как правило, связаны с пространственной двухкомпонентной структурой (см., например, с. 494 [2]). Это относится к таким источникам, как 3C 120, 3C 273, 3C 279, 3C 345 и др. Исключение составляют квазизвездные объекты с большим количеством пространственных компонентов, что может соответствовать последовательности движущихся друг за другом уединенных волн.

В такой интерпретации наблюдательных особенностей сверхсветового квазара спектры излучения обоих компонент должны совпадать с точностью до допплеровского сдвига.

Пусть в определенный момент времени с помощью регистрирующего устройства, например датчика оптического излучения совместно с интерферометром типа Фабри-Перо, фиксируют, что один из максимумов спектра одной из двух компонент сверхсветового квазара попадает на длину волны , что соответствует частоте ω₁(t₀) = 4,1481•10¹⁴ Гц , а аналогичный максимум другой компоненты квазара - на , что соответствует частоте ω₂(t₀) = 4,1473•10¹⁴ Гц . Из этого заключается, что первой компоненте квазара соответствует прямое изображение квазизвездного объекта. Далее, пусть через время τ = 1 мес фиксируют, что указанный максимум первой компоненты переместился на длину волны , а максимум второй компоненты - на длину волны . Заметим, что все вышеперечисленные длины волн соответствуют видимому излучению красного цвета и выбраны для данного примера произвольно. Также заметим, что, как указано на с. 85 (Лелевкин В.М., Оторбаев Д.К. Экспериментальные методы и теоретические модели в физике неравновесной плазмы. Фрунзе: Илим, 1988, 251 с.), точность измерения длины волны интерферометром Фабри-Перо может составлять , которая достаточна для данных измерений.

Подставляя значения ω₁(t₀), ω₂(t₀), ω₁(t₀+τ), ω₂(t₀+τ), τ в систему уравнений (8) - (11) и решая ее, например, с помощью ЭВМ, находят, что квазар излучает в собственной системе отсчета на частоте Ω = 12,8 ГГц, что соответствует СВЧ диапазону. Из решения этой системы уравнений также находят, что Земля расположена на расстоянии d = 153 Мпс от прямой, по которой движется квазар, и что видимое рождение квазара произошло на 1,5 года раньше момента первого измерения. При этом скорость движения квазара относительно Земли составляет 1,15 скорости света.

Сравним точность определения, например, расстояния до объекта при использовании способа-прототипа и предлагаемого способа, рассматривая движение квазара. Даже без учета пекулярного движения применение постоянной Хаббла дает ошибку 200 - 300%. С помощью предлагаемого способа - ошибка не более 20%.

Данный способ применим также при определении кинематических параметров движения элементарных частиц в условиях излучения Вавилова-Черенкова и макроскопических сверхзвуковых объектов.

Использование: в таких областях, как физика элементарных частиц, астрофизика, акустика. Сущность изобретения: регистрируют спектры двух изображений объекта в определенный момент времени t₀ и измеряют частоты ω₁(t_o) и ω₂(t_o) испускаемых объектом волн, соответствующие одной и той же характерной детали спектров для этого момента времени. Далее регистрируют спектры двух изображений объекта через известный интервал времени τ и измеряют частоты ω₁(t_o+τ) и ω₂(t_o+τ) испускаемых объектом волн, соответствующих той же характерной детали спектров, как в первой паре. Затем по знаку разности частот (ω₁(t_o)-ω₂(t_o)), либо (ω₁(t_o+τ)-ω₂(t_o+τ)) определяют направление движения объекта. С учетом направления движения находят скорость движения объекта, расстояние до объекта и частоты испускаемых им волн по определенной зависимости, связывающей τ, ω₁(t_o), ω₂(t_o), ω₁(t_o+τ), ω₂(t_o+τ) Технический результат заключается в повышении точности определения кинематических характеристик движения объекта и расширении области применимости способа к объектам, излучающим континуум-спектр. 3 ил.

Способ определения кинематических параметров движения объекта, движущегося быстрее, чем испускаемые им волны, заключающийся в том, что регистрируют спектр волн, испускаемых объектом при движении, определяют его кинематические параметры движения, отличающийся тем, что регистрируют спектры двух изображений объекта в определенный момент времени t₀, измеряют частоты ω₁(t₀) и ω₂(t₀) испускаемых объектов волн, соответствующие одной и той же характерной детали спектров для этого момента времени, регистрируют спектры двух изображений объекта через известный интервал времени τ, измеряют частоты ω₁(t₀+τ) и ω₂(t₀+τ) испускаемых объектом волн, соответствующие той же характерной детали спектров, как в первой паре, и определяют кинематические параметры движения объекта с учетом измеренных частот ω₁(t₀), ω₂(t₀), ω₁(t₀+τ), ω₂(t₀+τ) и известного интервала времени τ.т