Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для приложений в метеорологии см. Доплеровский метеорологический радар .
Солдат армии США использует радар , приложение доплеровского радара, чтобы поймать нарушителей скорости.

Радар Доплера является специализированным радар , который использует эффект Доплера для данных скорости продукции об объектах на расстоянии. Это достигается путем отражения микроволнового сигнала от желаемой цели и анализа того, как движение объекта изменило частоту возвращаемого сигнала. Это изменение дает прямые и высокоточные измерения радиальной составляющей скорости цели относительно радара.

Концепция [ править ]

Эффект Доплера [ править ]

Излучаемый сигнал в сторону автомобиля отражается обратно с изменением частоты, которая зависит от скорости от / до радара (160 км / ч). Это лишь составляющая реальной скорости (170 км / ч).

Эффект Доплера (или доплеровский сдвиг), названный в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который предложил его в 1842 году, представляет собой разницу между наблюдаемой частотойи излучаемая частота волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волн. Обычно это слышно, когда автомобиль, включающий сирену, приближается, проезжает и удаляется от наблюдателя. Принимаемая частота выше (по сравнению с излучаемой частотой) при заходе на посадку, идентична в момент прохождения и ниже во время спада. Это изменение частоты также зависит от направления, в котором источник волны движется по отношению к наблюдателю; он максимален, когда источник движется прямо к наблюдателю или от него, и уменьшается с увеличением угла между направлением движения и направлением волн, пока, когда источник движется под прямым углом к ​​наблюдателю, смещения не происходит.

Представьте себе бейсбольного кувшина, бросающего один мяч каждую секунду кэтчеру (частота 1 мяч в секунду). Если предположить, что шары движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, ловитель ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер бежит к ловцу, ловец ловит шары чаще, потому что шары меньше разнесены (частота увеличивается). Обратное верно, если питчер удаляется от ловца. Кэтчер реже ловит мячи из-за обратного движения питчера (частота уменьшается). Если питчер движется под углом, но с той же скоростью, изменение частоты, с которой принимающий улавливает мячи, меньше, поскольку расстояние между ними изменяется медленнее.

С точки зрения питчера частота остается постоянной (независимо от того, бросает ли он мячи или передает микроволны). Поскольку в случае электромагнитного излучения, такого как микроволны или звук, частота обратно пропорциональна длине волны, длина волны также изменяется. Таким образом, относительная разница в скорости между источником и наблюдателем - это то, что вызывает эффект Доплера. [1]

Вариация частоты [ править ]

Эффект Доплера: изменение длины волны и частоты, вызванное движением источника.

Формула для доплеровского сдвига радара такая же, как и для отражения света движущимся зеркалом. [2] Нет необходимости ссылаться на специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна , потому что все наблюдения производятся в одной и той же системе отсчета. [3] Результат, полученный с использованием c как скорости света и v как целевой скорости, дает смещенную частоту ( ) как функцию исходной частоты ( ):

что упрощает

«Частота биений» (Доплеровская частота) ( ), таким образом: [4]

Поскольку для большинства практических приложений радаров , так . Затем мы можем написать:

Технология [ править ]

Есть четыре способа создания эффекта Доплера. Радары могут быть:

  • Когерентный импульсный (КП),
  • Импульсно-доплеровский радар ,
  • Непрерывная волна (CW), или
  • Частотная модуляция (FM).

Доплеровский режим позволяет использовать узкополосные фильтры приемника, которые уменьшают или устраняют сигналы от медленно движущихся и неподвижных объектов. Это эффективно устраняет ложные сигналы, создаваемые деревьями, облаками, насекомыми, птицами, ветром и другими факторами окружающей среды. Дешевый ручной доплеровский радар может давать ошибочные измерения.

CW доплеровский радар обеспечивает только выход скорости, поскольку принимаемый сигнал от цели сравнивается по частоте с исходным сигналом. Ранние доплеровские радары включали CW, но они быстро привели к развитию РЛС с непрерывной частотной модуляцией ( FMCW ), который сканирует частоту передатчика для кодирования и определения дальности.

С появлением цифровых технологий радары с импульсным доплером (PD) стали достаточно легкими для использования в самолетах, а доплеровские процессоры для радаров с когерентными импульсами стали более распространенными. Это дает возможность смотреть вниз / сбивать . Преимущество комбинирования доплеровской обработки с импульсными радарами заключается в предоставлении точной информации о скорости. Эта скорость называется дальностью.. Он описывает скорость, с которой цель движется к радару или от него. Цель без дальности отражает частоту, близкую к частоте передатчика, и не может быть обнаружена. Классическая цель с нулевым доплером - это цель, которая находится на курсе, касательном к лучу антенны радара. По сути, любая цель, которая движется под углом 90 градусов по отношению к лучу антенны, не может быть обнаружена по ее скорости (только по ее обычной отражательной способности ).

Сверхширокополосные сигналы были исследованы Исследовательской лабораторией армии США (ARL) в качестве потенциального подхода к доплеровской обработке из-за их низкой средней мощности, высокого разрешения и способности проникать через объекты. При исследовании возможности использования технологии СШП-радара для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна, в отчете ARL 2013 года были выявлены проблемы, связанные с миграцией дальности до цели. [5] Однако исследователи предположили, что эти проблемы можно решить, если использовать правильный согласованный фильтр . [6]

В военных авиалайнерах эффект Доплера имеет два основных преимущества. Во-первых, радар более устойчив к противодействию. Обратные сигналы от погоды, местности и средств противодействия, таких как солома, фильтруются перед обнаружением, что снижает нагрузку на компьютер и оператора во враждебных условиях. Во-вторых, против цели на малой высоте фильтрация по радиальной скорости - очень эффективный способ устранить помехи от земли, которые всегда имеют нулевую скорость. Низколетящий военный самолет с предупреждением о противодействии обнаружению вражеского радара может поворачиваться перпендикулярно вражескому радару, чтобы обнулить его доплеровскую частоту, которая обычно нарушает фиксацию и отключает радар, скрываясь от земли, которая намного больше.

История [ править ]

Доплеровский радиолокационный комплекс AN / APN-81, середина 1950-х гг.

Доплеровский радар имеет тенденцию быть легким, потому что он устраняет тяжелое импульсное оборудование. Соответствующая фильтрация удаляет стационарные отражения при интегрировании сигналов за более длительный промежуток времени, что улучшает характеристики дальности при одновременном снижении мощности. Военные использовали эти преимущества в 1940-х годах.

Радиолокатор непрерывного вещания, или FM, был разработан во время Второй мировой войны для самолетов ВМС США для поддержки боевых действий в ночное время. Большинство из них использовали спектр УВЧ и имели передающую антенну Яги на левом крыле и приемную антенну Яги на правом крыле. Это позволяло бомбардировщикам летать с оптимальной скоростью при приближении к корабельным целям, а также позволяло сопровождать истребители наведения орудий на вражеские самолеты во время ночных операций. Эти стратегии были адаптированы для полуактивного радиолокационного самонаведения .

Современные доплеровские системы достаточно легкие для мобильного наземного наблюдения, связанного с пехотой и надводными кораблями. Они обнаруживают движение транспортных средств и личного состава для ночных и всепогодных боевых действий. Современные полицейские радары - это уменьшенная, более портативная версия этих систем. [7] [8]

Ранние доплеровские радары полагались на большие аналоговые фильтры для достижения приемлемых характеристик. Аналоговые фильтры, волноводы и усилители улавливают вибрацию, как микрофоны, поэтому требуется громоздкое гашение вибрации. Этот дополнительный вес привел к неприемлемым кинематическим ограничениям характеристик, которые ограничивали использование самолетов только ночью, в плохую погоду и в условиях сильных помех до 1970-х годов.

Цифровое быстрое преобразование Фурье (БПФ) стало практичным, когда в 1970-х годах стали доступны современные микропроцессоры . Это было немедленно связано с когерентными импульсными радарами, где извлекалась информация о скорости. Это оказалось полезным как для метеорологических, так и для диспетчерских радаров. Информация о скорости предоставила еще один ввод в программный трекер и улучшила компьютерное отслеживание. Из-за низкой частоты следования импульсов(PRF) большинства когерентных импульсных радаров, что обеспечивает максимальное покрытие в диапазоне, объем доплеровской обработки ограничен. Доплеровский процессор может обрабатывать только скорости до ± 1/2 PRF радара. Для метеорологических радаров это не проблема. Информация о скорости воздушного судна не может быть извлечена непосредственно с радара с низкой частотой повторения импульсов, поскольку выборка ограничивает измерения примерно до 75 миль в час.

Специализированные радары были разработаны быстро, когда цифровые технологии стали более легкими и доступными. Импульсные доплеровские радары сочетают в себе все преимущества большой дальности и высокой скорости. В импульсных доплеровских радарах используется частота PRF от среднего до высокого (порядка 3–30 кГц), что позволяет обнаруживать либо высокоскоростные цели, либо измерения скорости с высоким разрешением. Обычно это одно или другое; радар, предназначенный для обнаружения целей от нуля до 2 Маха , не имеет высокого разрешения по скорости, в то время как радар, предназначенный для измерения скорости с высоким разрешением, не имеет широкого диапазона скоростей. Метеорологические радары - это радары скорости с высоким разрешением, а противовоздушная оборонарадары имеют большой диапазон определения скорости, но точность определения скорости составляет десятки узлов .

Антенны для CW и FM-CW начинались как отдельные приемные и передающие антенны до появления доступных микроволновых конструкций. В конце 1960-х годов начали производить радары с одной антенной. Это стало возможным благодаря использованию круговой поляризации и многопортовой секции волновода, работающей в X-диапазоне. К концу 1970-х это изменилось на линейную поляризацию и использование ферритовых циркуляторов как в X-, так и в K-диапазонах. Радары частичного разряда работают при слишком высоком PRF для использования переключателя, заполненного передающим-приемным газом, и в большинстве из них используются твердотельные устройства для защиты малошумящего усилителя приемника при включении передатчика.

Приложения [ править ]

Доплеровские радары используются в авиации , звучащие спутников, МЛБ «ы Система StatCast , метеорология , радары , [9] радиологии и здравоохранение (обнаружение падения [10] и оценка риска, уход за больными или клиника назначения [11] ), и бистатической радар ( ракеты земля-воздух ). Также была предложена система обнаружения термитов . [12] [ чрезмерный вес? - обсудить ]

Погода [ править ]

Основная статья: Доплеровский метеорологический радар
Первый экспериментальный доплеровский метеорологический радар Бюро погоды США получил от ВМС США в 1950-х годах.

Частично из-за того, что телевизионные метеорологи часто используют этот термин для передачи метеорологических сообщений в эфире, конкретный термин « доплеровский радар » ошибочно стал широко синонимом типа радара, используемого в метеорологии. Большинство современных метеорологических радаров используют метод импульсного доплера для изучения движения осадков , но это только часть обработки их данных. Таким образом, хотя эти радары используют узкоспециализированную форму доплеровского радара , этот тип радаров гораздо шире по своему значению и возможностям.

Работа над функцией Доплера для метеорологических радиолокаторов имеет долгую историю во многих странах. В июне 1958 года американские исследователи Дэвид Холмс и Роберт Смит смогли обнаружить вращение торнадо с помощью мобильного радара непрерывного излучения (фото справа). Лаборатория Нормана, которая позже стала Национальной лабораторией сильных штормов (NSSL), модифицировала этот радар, сделав его импульсным доплеровским радаром, позволяющим легче определять положение эхосигналов и иметь большую мощность [13].

Работа была ускорена после такого события в Соединенных Штатах, как супервспышка 1974 года, когда 148 торнадо прокатились по тринадцати штатам. В то время радар только с функцией отражения мог определять только структуру осадков в грозовых облаках, но не мезоциклоническое вращение и расхождение ветров, приводящие к развитию торнадо или нисходящим потокам . NSSL доплеровского начал функционировать в 1971 году и привело к NEXRAD сети развертываются в конце 1980 - х годов. [14]

Навигация [ править ]

Основная статья: Радарная навигация
Доплеровская навигационная система в Национальном музее электроники

Доплеровские радары использовались в качестве средства навигации для самолетов и космических кораблей. Путем прямого измерения движения земли с помощью радара и последующего сравнения его с воздушной скоростью, возвращаемой приборами самолета, впервые можно было точно определить скорость ветра. Это значение затем использовалось для высокоточного исчисления мертвых точек . Одним из первых примеров такой системы был радар Green Satin, использовавшийся в English Electric Canberra . Эта система отправляла импульсный сигнал с очень низкой частотой повторения, поэтому для передачи и приема могла использоваться одна антенна. Генератор провел опорную частоту для сравнения принятого сигнала. На практике первоначальное «исправление» было принято с помощью радионавигации.Система, обычно Gee , и Green Satin затем обеспечивали точную дальнюю навигацию за пределами 350-мильного диапазона Gee. Подобные системы использовались в ряде самолетов того времени [15] и к 1960-м годам были объединены с основными поисковыми РЛС истребителей.

Доплеровская навигация была обычным явлением в коммерческой авиации в 1960-х годах, пока ее в значительной степени не вытеснили инерциальные навигационные системы . Аппаратура состояла из блока приемопередатчика, блока обработки и гиростабилизированной антенной платформы. Антенна генерировала четыре луча и вращалась сервомеханизмом для совмещения с траекторией самолета путем выравнивания доплеровского сдвига левой и правой антенн. Синхросигнал передавал угол платформы на кабину экипажа, таким образом обеспечивая меру «угла сноса». Путевая скорость определялась по доплеровскому сдвигу между передней и задней балками. Они были отображены в кабине экипажа на одном приборе. [ необходима цитата ] Некоторые самолеты имели дополнительный доплеровский компьютер. Это было механическое устройство, содержащее стальной шарик, вращаемый двигателем, скорость которого контролировалась доплеровской путевой скоростью. Угол наклона этого двигателя контролировался «углом сноса». Два фиксированных колеса, одно «вперед-назад», другое «слева направо», управляли счетчиками для вывода расстояния по гусенице и разницы между гусеницами. Компас самолета был интегрирован в компьютер, так что желаемый путь мог быть установлен между двумя путевыми точками на маршруте большого круга над водой. 21-му это может показаться удивительным. века, но на самом деле он работал довольно хорошо и был большим улучшением по сравнению с другими методами «мертвого счета», доступными в то время. Обычно это подкреплялось исправлениями положения от Лорана,или в крайнем случае секстант и хронометр. Было возможно пересечь Атлантику с ошибкой в ​​пару миль, когда находились в зоне действия пары VOR или NDB. Его главным недостатком на практике было состояние моря, поскольку спокойное море давало плохие сигналы радара и, следовательно, ненадежные доплеровские измерения. Но это было нечасто в Северной Атлантике.[ необходима цитата ]

Навигация на основе локуса [ править ]

Доплеровские методы на основе местоположения также использовались в исторической спутниковой навигационной системе ВМС США Transit со спутниковыми передатчиками и наземными приемниками и в настоящее время используются в гражданской системе Argos., в котором используются спутниковые приемники и наземные передатчики. В этих случаях наземные станции либо неподвижны, либо медленно движутся, а измеряемое доплеровское смещение вызвано относительным движением между наземной станцией и быстро движущимся спутником. Комбинация доплеровского смещения и времени приема может быть использована для создания геометрического местоположения, которое будет иметь измеренное смещение в точке пересечения поверхности Земли в этот момент: путем объединения этого с другими точками измерений в другое время, истинное местоположение наземная станция может быть определена точно. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Радиолокатор непрерывного действия
  • Полуактивная радиолокационная система самонаведения

Ссылки [ править ]

  1. ^ CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). «Принципы Доплера (Справочник по полицейскому радару)» . CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises . Проверено 17 июля 2009 года .
  2. ^ Ditchburn, RW "Light", 1961, 1991. Dover Publications Inc., pp331-333
  3. ^ Джаффе, Бернард М., "Прямое отражение света движущимся зеркалом", Американский журнал физики, Vol. 41, апрель 1973 г., стр. 577-578.
  4. ^ Риденур, "Radar System Engineering", серия MIT Радиационная лаборатория, том 1, 1947 год, стр 629
  5. ^ Dogaru Траян (март 2013). «Доплеровская обработка с помощью сверхширокополосного импульсного радара (СШП)» . Исследовательская лаборатория армии США .
  6. ^ Dogaru Траян (1 января 2018). «Новый взгляд на доплеровскую обработку с помощью сверхширокополосного (СШП) радара» . Исследовательская лаборатория армии США - через Центр технической информации Министерства обороны США.
  7. ^ "Секция радара наблюдения за землей" . 1-й батальон 50-го пехотного объединения.
  8. ^ "AN / SPG-51 Пушка и РЛС управления ракетным огнем" . Информационная группа Джейн.
  9. ^ CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). "Полицейские радары движения" . CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises . Проверено 17 июля 2009 года .
  10. ^ LL, MP, MS, MR и т. Д. (2011). «Автоматическое обнаружение падения на основе сигнатуры движения доплеровского радара» . Труды 5-й Международной конференции ИККТ по ​​всеобъемлющим вычислительным технологиям в здравоохранении . IEEE PervasiveHealth. С. 222–225. DOI : 10.4108 / icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN 978-1-936968-15-2. S2CID  14786782 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ M. Mercuri, PJ Soh, G. Pandey, P. Karsmakers, GAE Vandenbosch, P. Leroux, D. Schreurs, "Анализ внутренней биомедицинской радиолокационной системы для мониторинга здоровья", IEEE Trans. Теория СВЧ Техн. , т. 61, нет. 5, стр. 2061-2068, май 2013 г.
  12. ^ Патент США 6313643
  13. ^ Браун, Роджер А .; Льюис, Джон М. (октябрь 2005 г.). «Путь к разработке доплеровского радара NEXRAD в Национальной лаборатории сильных штормов». Бюллетень Американского метеорологического общества . AMS . 86 (10): 1459–1470. DOI : 10.1175 / BAMS-86-10-1459 .
  14. ^ "Основные моменты метеорологического радиолокатора за первые 40 лет существования NSSL" . Национальная лаборатория сильных штормов . Проверено 30 января 2021 .
  15. ↑ Джон Барри, «Разработка доплеровского навигатора» , Друзья КПР, 17 сентября 1973 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Удача, Дэвид GC (1949). Частотно-модулированный радар . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
  • Лю, L; Попеску, М; Скубич, М; Ранц, М; Ярдиби, Т; Каддихи, П. (23–26 мая 2011 г.). «Автоматическое обнаружение падения на основе движения доплеровского радара». Труды 5-й Международной конференции по всеобъемлющим вычислительным технологиям в здравоохранении . Дублин, Ирландия. С. 222–225. Выложите резюме .

Внешние ссылки [ править ]

  • Описание доплеровского сдвига, используемого в непрерывно-волновом доплеровском радаре