Доплеровский радар

Тип радиолокационного оборудования

Солдат армии США использует радар , разработанный на основе доплеровского радара, для выявления нарушителей скоростного режима.

Доплеровский радар — это специализированный радар , который использует эффект Доплера для получения данных о скорости объектов на расстоянии. ^[1] Он делает это, отражая микроволновый сигнал от желаемой цели и анализируя, как движение объекта изменило частоту возвращенного сигнала. Этот вариант дает прямые и высокоточные измерения радиальной составляющей скорости цели относительно радара. Этот термин применяется к радиолокационным системам во многих областях, таких как авиация, полицейские радар-детекторы , навигация , метеорология и т. д.

Концепция

эффект Доплера

Излученный в сторону автомобиля сигнал отражается обратно с изменением частоты, зависящим от скорости от/к радару (160 км/ч). Это лишь часть 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 частотой и излучаемой частотой волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волн. Он обычно слышен, когда транспортное средство с сиреной приближается, проезжает и удаляется от наблюдателя. Принимаемая частота выше (по сравнению с излучаемой частотой) во время приближения, она идентична в момент прохождения и она ниже во время удаления. Это изменение частоты также зависит от направления движения источника волны относительно наблюдателя; оно максимально, когда источник движется прямо к наблюдателю или от него, и уменьшается с увеличением угла между направлением движения и направлением волн, до тех пор, пока источник не начнет двигаться под прямым углом к ​​наблюдателю, когда сдвиг не исчезнет.

Представьте себе бейсбольного питчера, бросающего один мяч каждую секунду кэтчеру (частота 1 мяч в секунду). Если предположить, что мячи движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, то кэтчер ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер бежит к кэтчеру, кэтчер ловит мячи чаще, потому что мячи находятся на меньшем расстоянии друг от друга (частота увеличивается). Обратное верно, если питчер удаляется от кэтчера. Кэтчер ловит мячи реже из-за движения питчера назад (частота уменьшается). Если питчер движется под углом, но с той же скоростью, изменение частоты, с которой ресивер ловит мячи, меньше, так как расстояние между ними изменяется медленнее.

С точки зрения питчера частота остается постоянной (независимо от того, бросает ли он мячи или передает микроволны). Поскольку в электромагнитном излучении, таком как микроволны или звук, частота обратно пропорциональна длине волны, длина волны также изменяется. Таким образом, относительная разница в скорости между источником и наблюдателем является причиной эффекта Доплера. ^[2]

Изменение частоты

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

Формула для доплеровского сдвига радара та же самая, что и для отражения света движущимся зеркалом. ^[3] Нет необходимости ссылаться на специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна , поскольку все наблюдения производятся в одной и той же системе отсчета. ^[4] Результат, полученный с использованием c в качестве скорости света и v в качестве целевой радиальной скорости, дает смещенную частоту ( ) как функцию исходной частоты ( ): ${\displaystyle f_{r}}$ ${\displaystyle f_{t}}$

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

что упрощается до

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

«Частота биений» (частота Доплера) ( ) равна: ^[5] ${\displaystyle f_{d}}$

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

Так как для большинства практических применений радара, , то . Тогда мы можем записать: ${\displaystyle v\ll c}$ ${\displaystyle \left(c-v\right)\rightarrow c}$

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

Технологии

Существует четыре способа создания эффекта Доплера. Радары могут быть:

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

Допплер позволяет использовать узкополосные фильтры приемника, которые уменьшают или устраняют сигналы от медленно движущихся и неподвижных объектов. Это эффективно устраняет ложные сигналы, производимые деревьями, облаками, насекомыми, птицами, ветром и другими факторами окружающей среды, но различные недорогие переносные допплеровские радарные устройства, не использующие это, могут давать ошибочные измерения.

Радар Доплера CW обеспечивает только выход скорости, поскольку полученный сигнал от цели сравнивается по частоте с исходным сигналом. Ранние радары Доплера включали CW, но это быстро привело к разработке радара с частотно-модулированной непрерывной волной ( FMCW ), который сканирует частоту передатчика для кодирования и определения дальности.

С появлением цифровых технологий импульсно-доплеровские радары (PD) стали достаточно легкими для использования в самолетах, а доплеровские процессоры для когерентных импульсных радаров стали более распространенными. Это обеспечивает возможность Look-down/shoot-down . Преимущество объединения доплеровской обработки с импульсными радарами заключается в предоставлении точной информации о скорости. Эта скорость называется range-rate . Она описывает скорость, с которой цель движется к радару или от него. Цель без range-rate отражает частоту, близкую к частоте передатчика, и не может быть обнаружена. Классическая нулевая доплеровская цель — это цель, которая находится на курсе, который является тангенциальным 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 формы волн были исследованы Исследовательской лабораторией армии США (ARL) в качестве потенциального подхода к обработке Доплера из-за его низкой средней мощности, высокого разрешения и способности проникать сквозь объекты. При исследовании возможности использования технологии UWB-радара для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна, в отчете ARL за 2013 год были подчеркнуты проблемы, связанные с миграцией дальности цели. ^[6] Однако исследователи предположили, что эти проблемы можно решить, если использовать правильный согласованный фильтр . ^[7]

В военных воздушных приложениях эффект Доплера имеет 2 основных преимущества. Во-первых, радар более устойчив к контрмерам. Обратные сигналы от погоды, рельефа местности и контрмер, таких как дипольные отражатели , отфильтровываются перед обнаружением, что снижает нагрузку на компьютер и оператора во враждебной среде. Во-вторых, против цели на низкой высоте фильтрация по радиальной скорости является очень эффективным способом устранения помех от земли , которые всегда имеют нулевую скорость. Низколетящий военный самолет с предупреждением о контрмерах для захвата вражеского радара может повернуть перпендикулярно вражескому радару, чтобы свести на нет его доплеровскую частоту, которая обычно нарушает захват и сбивает радар, скрываясь от отраженного от земли сигнала, который намного больше.

История

Доплеровская радиолокационная навигационная система AN/APN-81, середина 1950-х гг.

Радар Доплера, как правило, легкий, поскольку он устраняет тяжелое импульсное оборудование. Сопутствующая фильтрация удаляет стационарные отражения, интегрируя сигналы в течение более длительного периода времени, что улучшает характеристики дальности при одновременном снижении мощности. Военные использовали эти преимущества в 1940-х годах.

Радар непрерывного вещания (FM) был разработан во время Второй мировой войны для самолетов ВМС США для поддержки ночных боевых действий. Большинство из них использовали спектр УВЧ и имели передающую антенну Yagi на левом крыле и приемную антенну Yagi на правом крыле. Это позволяло бомбардировщикам лететь с оптимальной скоростью при приближении к целям на кораблях и позволяло истребителям сопровождения наводить пушки на вражеские самолеты во время ночных операций. Эти стратегии были адаптированы к полуактивному радиолокационному самонаведению .

В 1951 году Карл А. Уайли изобрел радар с синтезированной апертурой , который, хотя и отличался от обычных доплеровских радаров, был основан на принципах Доплера и первоначально был запатентован как «Методы и средства импульсного доплеровского радара» № 3,196,436.

Современные доплеровские системы достаточно легкие для мобильного наземного наблюдения, связанного с пехотой и надводными кораблями. Они обнаруживают движение транспортных средств и персонала для ночных и всепогодных боевых операций. Современные полицейские радары — это меньшие, более портативные версии этих систем. ^{[8] [9]}

Ранние доплеровские радары полагались на большие аналоговые фильтры для достижения приемлемой производительности. Аналоговые фильтры, волноводы и усилители улавливают вибрацию, как микрофоны, поэтому требуется громоздкое гашение вибрации. Этот дополнительный вес налагал неприемлемые ограничения на кинематическую производительность, которые ограничивали использование самолетов ночной работой, тяжелой погодой и сильными помехами до 1970-х годов.

Цифровая фильтрация с быстрым преобразованием Фурье (БПФ) стала практичной, 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 в метеорологических, так и в управляющих воздушным движением радарах. Информация о скорости предоставила еще один вход для программного трекера и улучшила компьютерное отслеживание. Из-за низкой частоты повторения импульсов (ЧПИ) большинства когерентных импульсных радаров, которая максимизирует покрытие в диапазоне, объем доплеровской обработки ограничен. Доплеровский процессор может обрабатывать только скорости до ±1/2 ЧПИ радара. Это не проблема для метеорологических радаров. Информацию о скорости для самолетов нельзя извлечь напрямую из радара с низкой ЧПИ, поскольку выборка ограничивает измерения примерно до 75 миль в час.

Специализированные радары быстро разрабатывались, когда цифровые технологии стали легкими и более доступными. Импульсно-доплеровские радары сочетают в себе все преимущества большой дальности и высокой скорости. Импульсно-доплеровские радары используют среднюю или высокую частоту повторения импульсов (порядка 3–30 кГц), что позволяет обнаруживать как высокоскоростные цели, так и измерять скорость с высоким разрешением. Обычно это одно из двух: 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 являются радарами скорости с высоким разрешением, в то время как радары ПВО имеют большой диапазон обнаружения скорости, но точность измерения скорости составляет десятки узлов .

Конструкции антенн для CW и FM-CW начинались как отдельные передающие и приемные антенны до появления доступных микроволновых конструкций. В конце 1960-х годов начали производиться дорожные радары, которые использовали одну антенну. Это стало возможным благодаря использованию круговой поляризации и многопортовой волноводной секции, работающей в диапазоне X. К концу 1970-х годов это изменилось на линейную поляризацию и использование ферритовых циркуляторов как в диапазонах X, так и в диапазонах K. Радары PD работают со слишком высокой частотой повторения импульсов для использования газонаполненного переключателя передачи-приема, и большинство из них используют твердотельные устройства для защиты малошумящего усилителя приемника при срабатывании передатчика.

Приложения

Доплеровские радары используются в авиации , зондирующих спутниках, системе StatCast Главной лиги бейсбола , метеорологии , радиолокационных пушках , ^[10] радиологии и здравоохранении (обнаружение падений ^[11] и оценка риска, сестринское дело или клинические цели ^[12] ), а также в бистатических радарах ( ракеты класса «земля-воздух» ).

Погода

Первый экспериментальный метеорологический радар Доплера Бюро погоды США был получен от ВМС США в 1950-х годах.

Частично из-за его общего использования телевизионными метеорологами в эфирных метеорологических сводках, специфический термин « Доплеровский радар » ошибочно стал популярным синонимом типа радара, используемого в метеорологии. Большинство современных метеорологических радаров используют импульсно-доплеровский метод для изучения движения осадков , но это только часть обработки их данных. ^{[13] [14]} Таким образом, хотя эти радары используют узкоспециализированную форму Доплеровского радара , этот тип радара гораздо шире по своему значению и применению.

Работа над функцией Доплера для метеорологических радаров имеет долгую историю во многих странах. В июне 1958 года американские исследователи Дэвид Холмс и Роберт Смит смогли обнаружить вращение торнадо с помощью мобильного непрерывного радиолокатора (фото справа). Лаборатория Нормана, которая позже стала Национальной лабораторией сильных штормов (NSSL), модифицировала этот радар, сделав его импульсным доплеровским радаром, что позволило легче узнать положение эхо-сигналов и имело большую мощность ^[15]

Работа была ускорена после такого события в Соединенных Штатах, как супервспышка 1974 года , когда 148 торнадо пронеслись через тринадцать штатов. Радар, работающий только на отражательной способности, того времени мог обнаружить только структуру осадков грозовых облаков, но не мезоциклоническое вращение и расхождение ветров, приводящее к развитию торнадо или нисходящих порывов . Доплеровский NSSL начал работать в 1971 году и привел к развертыванию сети NEXRAD в конце 1980-х годов. ^[16]

Навигация

Доплеровская навигационная система в Национальном музее электроники

Радары Доплера использовались в качестве навигационного средства для самолетов и космических аппаратов. Путем непосредственного измерения движения земли с помощью радара, а затем сравнения его со скоростью воздуха, возвращаемой приборами самолета, впервые можно было точно определить скорость ветра. Это значение затем использовалось для высокоточного счисления пути . Одним из ранних примеров такой системы был радар Green Satin, используемый в English Electric Canberra . Эта система посылала импульсный сигнал с очень низкой частотой повторения, поэтому она могла использовать одну антенну для передачи и приема. Осциллятор удерживал опорную частоту для сравнения с принятым сигналом. На практике первоначальное «определение» производилось с помощью радионавигационной системы, обычно Gee , а Green Satin затем обеспечивал точную навигацию на большие расстояния за пределами 350-мильного диапазона Gee. Подобные системы использовались в ряде самолетов той эпохи ^[17] и были объединены с основными поисковыми радарами истребителей к 1960-м годам.

Доплеровская навигация была обычным явлением в коммерческой авиации в 1960-х годах, пока ее в значительной степени не вытеснили инерциальные навигационные системы . Оборудование состояло из приемопередающего устройства, процессорного устройства и гиростабилизированной антенной платформы. Антенна генерировала четыре луча и вращалась сервомеханизмом для выравнивания с траекторией самолета путем выравнивания доплеровского сдвига от левой и правой антенн. Синхронизатор передавал угол платформы на летную палубу, таким образом обеспечивая измерение «угла дрейфа». Путевая скорость определялась по доплеровскому смещению между передним и задним лучами. Они отображались на летной палубе на одном приборе. ^{[ необходима цитата ]} Некоторые самолеты имели дополнительный «доплеровский компьютер». Это было механическое устройство, содержащее стальной шар, вращаемый двигателем, скорость которого контролировалась доплеровской определенной скоростью относительно земли. Угол этого двигателя контролировался «углом дрейфа». Два фиксированных колеса, одно «вперед и назад», другое «слева направо», приводили в движение счетчики для вывода расстояния вдоль пути и поперек разницы пути. Компас самолета был интегрирован в компьютер, так что желаемый путь мог быть установлен между двумя точками маршрута на маршруте над водой по дуге большого круга. Это может показаться удивительным для читателей 21-го века, но на самом деле он работал довольно хорошо и был большим улучшением по сравнению с другими методами «счисления пути», доступными в то время. Он обычно подкреплялся определениями местоположения от Loran , VOR , NDB или, в крайнем случае, секстанта и хронометра. Можно было пересечь Атлантику с ошибкой в ​​пару миль, находясь в радиусе действия пары VOR или NDB. Его основным недостатком на практике было состояние моря, поскольку спокойное море давало плохие радиолокационные отражения и, следовательно, ненадежные доплеровские измерения. Но это было нечасто в Северной Атлантике ^{[ требуется ссылка ]}

Навигация на основе локации

Методы Доплера на основе определения местоположения также использовались в исторической спутниковой навигационной системе Transit ВМС США со спутниковыми передатчиками и наземными приемниками, а в настоящее время используются в гражданской системе Argos , которая использует спутниковые приемники и наземные передатчики. В этих случаях наземные станции либо неподвижны, либо медленно движутся, а измеряемое смещение Доплера вызвано относительным движением между наземной станцией и быстро движущимся спутником. Сочетание смещения Доплера и времени приема может быть использовано для создания геометрического места местоположений, которые будут иметь измеренное смещение, пересекающее поверхность Земли в этот момент: объединяя это с другими геометрическими местами из измерений в другое время, можно точно определить истинное местоположение наземной станции. ^{[ необходима цитата ]}

Обнаружение беспилотных летательных аппаратов

Ярким примером использования доплеровской информации является обнаружение и классификация небольших беспилотных летательных аппаратов . Радиолокационные системы, работающие на чрезвычайно высокой частоте, обеспечивают улучшенное доплеровское разрешение для заданного интервала когерентной обработки. ^[18] Это повышенное разрешение позволяет получить доступ к микродоплеровским сигнатурам (МДС), где микродоплеровский сигнал относится к доплеровским модуляциям, вызванным колебательным движением структурных компонентов цели, в отличие от объемного доплеровского сигнала, который относится к общему движению цели. ^[19] Обычно БПЛА имеют вращающиеся лопасти, которые генерируют отличительные МДС, что позволяет эффективно различать цели между БПЛА и другими воздушными объектами, такими как птицы. ^[20]

Смотрите также

• Радар непрерывного излучения  – тип радара, в котором передается непрерывная радиоволновая энергия известной стабильной частоты.
• Полуактивное радиолокационное самонаведение  – Тип системы наведения ракеты

Ссылки

1. Wragg, David W. (1973). Словарь авиации (первое издание). Osprey. стр. 112. ISBN 9780850451634.
2. CopRadar.com — дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). «Принципы Доплера (Справочник по полицейским радарам)». CopRadar.com — дочерняя компания Sawicki Enterprises . Получено 17 июля 2009 г.
3. Ditchburn, RW (1991) [1961]. Light . Нью-Йорк: Dover Publications. С. 331-333. ISBN 0486666670.
4. Джаффе, Бернард М. (апрель 1973 г.). «Прямое отражение света движущимся зеркалом». American Journal of Physics . 41 (4): 577–578. doi :10.1119/1.1987292.
5. Райденур, Луис Н. (1947). Инженерия радиолокационных систем. Серия MIT Radiation Laboratory. Том 1. Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 629.
6. Догару, Траян (март 2013 г.). «Обработка доплеровских сигналов с помощью сверхширокополосного (UWB) импульсного радара» (PDF) . Исследовательская лаборатория армии США .
7. Догару, Траян (1 января 2018 г.). «Повторный обзор доплеровской обработки с помощью сверхширокополосного (UWB) радара» (PDF) . Исследовательская лаборатория армии США – через Центр технической информации Министерства обороны.
8. "Секция наземного радиолокационного наблюдения". 1-й батальон 50-й пехотной ассоциации.
9. "AN/SPG-51 Gun and Missile Fire Control Radar". Jane's Information Group. Архивировано из оригинала 2013-01-27 . Получено 2012-08-15 .
10. CopRadar.com — дочерняя компания Sawicki Enterprises (1999–2000). «Полицейские радары дорожного движения». CopRadar.com — дочерняя компания Sawicki Enterprises . Получено 17 июля 2009 г.
11. Лю, Л.; Попеску, М.; Скубик, М.; Ранц, М.; Ярдиби, Т.; Каддихи, П. (2011). «Автоматическое обнаружение падения на основе сигнатуры движения доплеровского радара». Труды 5-й Международной конференции ICST по всепроникающим вычислительным технологиям в здравоохранении . IEEE PervasiveHealth. стр. 222–225. doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN 978-1-936968-15-2. S2CID  14786782.
12. Mercuri, M.; Soh, PJ; Pandey, G.; Karsmakers, P.; Vandenbosch, Guy AE; Leroux, P.; Schreurs, D. (2013). «Анализ внутренней биомедицинской радиолокационной системы для мониторинга здоровья». Труды IEEE по теории и методам микроволн . 61 (5): 2061–2068. doi :10.1109/tmtt.2013.2247619. ISSN  0018-9480.
13. "Что такое метеорадар? Полное руководство". www.ibm.com . Получено 2023-03-03 .
14. "Руководство по интерпретации доплеровских скоростных моделей". www.nssl.noaa.gov . Получено 03.03.2023 .
15. Браун, Роджер А.; Льюис, Джон М. (октябрь 2005 г.). «Путь к разработке доплеровского радара NEXRAD в Национальной лаборатории сильных штормов». Бюллетень Американского метеорологического общества . 86 (10). AMS : 1459–1470. Bibcode : 2005BAMS...86.1459B. doi : 10.1175/BAMS-86-10-1459 .
16. "Особенности метеорологических радаров за первые 40 лет NSSL". Национальная лаборатория сильных штормов . Получено 30.01.2021 .
17. Джон Барри, «Разработка доплеровского навигатора», Друзья CRC, 17 сентября 1973 г.
18. Рахман, С.; Робертсон, Д.А.; и др. (2021). «Глава 3. Применение радара миллиметрового диапазона для обнаружения и классификации БПЛА». В Клементе, Кармине (ред.). Противорадиолокационные меры противодействия беспилотным летательным аппаратам . Лондон: Институт инженерии и технологий. стр. 63–106. ISBN 9781839531910.
19. В. Чен, Микродоплеровский эффект в радарах , 2-е изд. (Норвуд, Массачусетс: Artech, 2019).
20. S. Rahman и DA Robertson, «Радиолокационные микродоплеровские сигнатуры дронов и птиц в K-диапазоне и W-диапазоне», Scientific Reports , т. 8, 17396 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-35880-9

Дальнейшее чтение

• Лак, Дэвид GC (1949). Частотно-модулированный радар. Нью-Йорк: McGraw-Hill.
• Liu, L; Popescu, M; Skubic, M; Rantz, M; Yardibi, T; Cuddihy, P (2011). «Автоматическое обнаружение падения на основе движения доплеровского радара». Труды 5-й Международной конференции по всепроникающим вычислительным технологиям в здравоохранении . Дублин, Ирландия. стр. 222–225. doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN 978-1-61284-767-2.

Внешние ссылки

• Описание доплеровского сдвига, используемого в доплеровском радаре непрерывного действия