Доплеровский радар - Doppler radar

Солдат армии США, использующий радар, приложение доплеровского радара для обнаружения нарушителей скорости.

А Доплеровский радар специализированный радар который использует Эффект Допплера для получения данных о скорости объектов на расстоянии. Он делает это, подпрыгивая микроволновая печь сигнал от желаемой цели и анализируя, как движение объекта изменило частоту возвращаемого сигнала. Этот вариант дает прямые и высокоточные измерения радиальный составляющая скорости цели относительно радара. Доплеровские радары используются в авиация, зондирующие спутники, Высшая лига бейсбола с Система StatCast, метеорология, радарные пушки,^[1] радиология и здравоохранение (обнаружение падения^[2] и оценка риска, сестринское дело или цель клиники^[3]), и бистатический радар (ракеты земля-воздух ).

Частично из-за того, что телевизионные метеорологи часто используют этот термин в метеорологических сообщениях в эфире, конкретный термин "Доплеровский радар"ошибочно стал синонимом типа радаров, используемых в метеорологии. Самый современный метеорологические радары использовать импульсный допплер техника для изучения движения атмосферные осадки, но это только часть обработки их данных. Итак, хотя эти радары используют узкоспециализированную форму Доплеровский радар, этот термин гораздо шире по своему значению и применению.

Концепция

Эффект Допплера

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

В Эффект Допплера (или доплеровский сдвиг), названный в честь австрийского физика Кристиан Доплер кто предложил это в 1842 году, разница между наблюдаемыми частота и 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) во время захода на посадку, она 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 до тех пор, 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). Предполагая, что шары движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, ловитель ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер движется трусцой 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 шары, меньше, поскольку расстояние между ними изменяется медленнее.

С точки зрения питчера, частота остается постоянной (бросает ли он мячи или передает микроволны). Поскольку с электромагнитное излучение как микроволны или со звуком, 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.^[4]

Изменение частоты

Эффект Доплера: изменение длина волны и частота вызвано движением источника.

Формула для доплеровского сдвига радара такая же, как и для отражения света движущимся зеркалом.^[5] Нет необходимости вызывать Альберт Эйнштейн теория специальная теория относительности, потому что все наблюдения производятся в одной системе координат.^[6] Результат, полученный с помощью c как скорость света и v поскольку скорость цели дает смещенную частоту (${\displaystyle f_{r}}$) как функция исходной частоты (${\displaystyle f_{t}}$) :

${\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {1+v/c}{1-v/c}}\right)}$

что упрощает

${\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {c+v}{c-v}}\right)}$

«Частота биений», (Доплеровская частота) (${\displaystyle f_{d}}$), таким образом:^[7]

${\displaystyle f_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{\frac {f_{t}}{(c-v)}}}$

Поскольку для большинства практических применений радара, ${\displaystyle v\ll c}$, так ${\displaystyle \left(c-v\right)\rightarrow c}$. Затем мы можем написать:

${\displaystyle f_{d}\approx 2v{\frac {f_{t}}{c}}}$

Технологии

Есть четыре способа создания эффекта Доплера. Радары могут быть:

• Когерентный импульсный (CP),
• Импульсно-доплеровский радар,
• Непрерывная волна (CW), или
• Модуляция частоты (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 полученный сигнал от цели сравнивается по частоте с исходным сигналом. Ранние доплеровские радары включали CW, но они быстро привели к развитию частотно-модулированных непрерывных волн (FMCW ) радар, который просматривает частоту передатчика для кодирования и определения дальности.

С появлением цифровых технологий Импульсно-доплеровские радары (PD) стал достаточно легким для использования в самолетах, а доплеровские процессоры для когерентных импульсных радаров стали более распространенными. Это обеспечивает Взгляд вниз / сбивание возможности. Преимущество комбинирования доплеровской обработки с импульсными радарами заключается в предоставлении точной информации о скорости. Эта скорость называется дальность. 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 доплеровским воздействием - 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 обычному отражательная способность ).

Сверхширокополосный осциллограммы были исследованы Исследовательская лаборатория армии США (ARL) как потенциальный подход к доплеровской обработке из-за его низкой средней мощности, высокого разрешения и способности проникновения 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 перемещением дальности до цели.^[8] Однако исследователи предположили, что эти проблемы можно решить, если правильно согласованный фильтр используется.^[9]

В военных применениях в воздухе 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 в неблагоприятных условиях. Во-вторых, против цели на малой высоте фильтрация радиальной скорости является очень эффективным способом устранения помех от земли, скорость которых всегда равна нулю. 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

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

Первый экспериментальный проект Бюро погоды США Доплеровский метеорологический радар аппарат был получен от ВМС США в 1950-х гг.

Доплеровский радар имеет тенденцию быть легким, потому что он устраняет тяжелое импульсное оборудование. Соответствующая фильтрация удаляет стационарные отражения при интеграции 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 Вторая Мировая Война для ВМС США самолет для поддержки боевых действий в ночное время. Большинство использовали УВЧ спектр и имел передачу Яги антенна на порт крыло и приемная антенна Яги на правый борт крыло. Это позволило бомбардировщики лететь с оптимальной скоростью при приближении к корабельным целям и позволить истребителям сопровождать артиллерийские орудия на вражеские самолеты во время ночных операций. Эти стратегии были адаптированы к полуактивная радиолокационная система 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.^[10][11]

Ранние доплеровские радиолокационные станции 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 наложил неприемлемые ограничения кинематических характеристик, которые ограничивали использование самолетов только ночью, в плохую погоду и в условиях сильных помех до 1970-х годов.

Цифровой быстрое преобразование Фурье (БПФ) фильтрация стала практичной, когда современные микропроцессоры стал доступен в 1970-х годах. Это было немедленно связано с когерентными импульсными радарами, где извлекалась информация о скорости. Это оказалось полезным как в погоду, так и в управления воздушным движением радары. Информация о скорости предоставила еще один ввод в программный трекер и улучшила компьютерное отслеживание. Из-за низкого частота 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 самолета не может быть извлечена непосредственно из радар с низкой частотой повторения импульсов потому что выборка ограничивает измерения примерно до 75 миль в час.

Специализированные радары были разработаны быстро, когда цифровые технологии стали более легкими и доступными. Импульсно-доплеровские радары объединить все преимущества большой дальности и высокой скорости. В импульсных доплеровских радарах используется частота 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 с нуля до Мах 2 не имеет высокого разрешения по скорости, а радар, разработанный для измерения скорости с высоким разрешением, не имеет широкого диапазона скоростей. Метеорологические радары - это радары скорости с высоким разрешением, а ПВО радары имеют большой диапазон определения скорости, но точность определения скорости составляет десятки узлы.

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 феррита. циркуляторы на обоих диапазонах X и K. Радары частичного разряда работают при слишком высокой частоте повторения импульсов, чтобы использовать газовый переключатель передачи-приема, и в большинстве случаев используют твердое состояние устройства защиты приемника малошумящим усилителем при срабатывании передатчика.

Доплеровская навигация

Основная статья: Радарная навигация

Доплеровская навигационная система в Национальный музей электроники

Коррекция скорости ветра

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 счисление. Одним из первых примеров такой системы был Радар Green Satin используется в Английский Electric Canberra. Эта система отправляла импульсный сигнал с очень низкой частотой повторения, поэтому для передачи и приема могла использоваться одна антенна. An осциллятор удерживает опорную частоту для сравнения с принятым сигналом. На практике первоначальное «исправление» было принято с помощью радионавигация система, обычно Ну и дела, а затем Green Satin обеспечил точную дальнюю навигацию за пределами 350-мильного диапазона Джи. Подобные системы использовались в ряде самолетов той эпохи,^[12] и к 1960-м гг. совмещались с основными поисковыми РЛС истребителей.

Доплеровская навигация была широко распространена в коммерческой авиации в 1960-х годах, пока ее не заменили 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 за счет выравнивания доплеровского сдвига левой и правой антенн. Синхросигнал передавал угол платформы на кабину экипажа, таким образом обеспечивая измерение «угла сноса». Путевая скорость определялась по доплеровскому сдвигу между передней и задней балками. Они отображались в кабине экипажа на одном приборе.^{[нужна цитата ]} У некоторых самолетов был дополнительный доплеровский компьютер. Это было механическое устройство, содержащее стальной шарик, вращаемый двигателем, скорость которого контролировалась доплеровской путевой скоростью. Угол поворота этого двигателя контролировался «углом сноса». Два фиксированных колеса, одно «вперед-назад», другое «слева направо», приводили счетчики 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 он подкреплялся данными о местоположении от Лорана или, в крайнем случае, секстантом и хронометром. Было возможно пересечь Атлантику с ошибкой в ​​пару миль, когда в пределах досягаемости пары VOR или NDB. Его главным недостатком на практике было состояние моря, поскольку спокойное море давало плохие радиолокационные сигналы и, следовательно, ненадежные доплеровские измерения. Но это было нечасто в Северной Атлантике.^{[нужна цитата ]}

Навигация на основе локуса

Доплеровские методы на основе местоположения также использовались в исторической программе ВМС США. Транзитная спутниковая навигационная система, со спутниковыми передатчиками и наземными приемниками, и в настоящее время используются в гражданских Система Аргос, 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, которая пересекает поверхность Земли в этот момент: путем объединения этого с другими точками измерений в другое время, истинное местоположение наземная станция может быть определена точно.^{[нужна цитата ]}

Смотрите также

• Радар-пушка
• Радар непрерывного действия
• Полуактивная радиолокационная система самонаведения
• Система обнаружения термитов^[13]

использованная литература

1. CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). "Полицейские радары движения". CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises. Получено 17 июля, 2009.
2. Л.Л., М.П., ​​М.С., М.Р. и др. (2011). «Автоматическое обнаружение падения на основе сигнатуры движения доплеровского радара». Труды 5-й Международной конференции ИККТ по ​​всеобъемлющим компьютерным технологиям в здравоохранении. IEEE PervasiveHealth. С. 222–225. Дои:10.4108 / icst.pervasivehealth.2011.245993. ISBN  978-1-936968-15-2. S2CID  14786782.
3. М. Меркури, П. Дж. Со, Г. Пандей, П. Карсмакерс, Г. А. Э. Ванденбош, П. Леру и Д. Шрерс, «Анализ внутренней биомедицинской радиолокационной системы для мониторинга здоровья», IEEE Trans. Теория СВЧ Техн., т. 61, нет. 5, стр. 2061-2068, май 2013 г.
4. CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). «Принципы Доплера (Справочник по полицейским радарам)». CopRadar.com - дочерняя компания Sawicki Enterprises. Получено 17 июля, 2009.
5. Ditchburn, R.W. "Light", 1961, 1991. Dover Publications Inc., стр. 331-333.
6. Джефф, Бернард М., "Прямое отражение света движущимся зеркалом", Американский журнал физики, Vol. 41, апрель 1973 г., стр. 577-578.
7. Риденур, "Разработка радиолокационных систем", Серия радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, том 1, 1947 год, стр. 629
8. Догару, Траян (март 2013 г.). «Доплеровская обработка с помощью сверхширокополосного импульсного радара (UWB)». Исследовательская лаборатория армии США.
9. Догару, Траян (1 января 2018 г.). "Новый взгляд на доплеровскую обработку с помощью сверхширокополосного (СШП) радара". Исследовательская лаборатория армии США - через Центр технической информации Министерства обороны.
10. «Отделение РЛС наземного наблюдения». 1-й батальон 50-го пехотного объединения.
11. «РЛС управления ракетным огнем АН / СПГ-51». Информационная группа Джейн.
12. Джон Барри, «Разработка доплеровского навигатора», Друзья КПР, 17 сентября 1973 г.
13. Патент США 6313643

дальнейшее чтение

• Удача, Дэвид Г. К. (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 повсеместным вычислительным технологиям в здравоохранении. Дублин, Ирландия. С. 222–225. Сложить резюме.

внешние ссылки

• Описание доплеровского сдвига, используемого в непрерывном доплеровском радаре