Доплеровский радар — это специализированный радар , который использует эффект Доплера для получения данных о скорости объектов на расстоянии. Он делает это путем отражения микроволнового сигнала от желаемой цели и анализа того, как движение объекта изменило частоту отраженного 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.
Эффект Доплера (или сдвиг Доплера), названный в честь австрийского физика Кристиана Доплера , предложившего его в 1842 году, представляет собой разницу между наблюдаемой частотой и излучаемой частотой волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волн. Обычно его слышно, когда транспортное средство, звучащее сиреной, приближается, проезжает мимо и удаляется от наблюдателя. Принимаемая частота выше (по сравнению с излучаемой частотой) при сближении, одинакова в момент прохождения и ниже при спуске. Это изменение частоты также зависит от направления движения источника волны относительно наблюдателя; 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 питчера, который каждую секунду бросает один мяч кетчеру (частота 1 мяч в секунду). Если предположить, что мячи движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, то кетчер ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер бежит к кетчеру, кетчер ловит мячи чаще, потому что мячи расположены на меньшем расстоянии друг от друга (частота увеличивается). Обратное верно, если питчер удаляется от кетчера. Кэтчер реже ловит мячи из-за движения питчера назад (частота снижается). Если питчер движется под углом, но с одинаковой скоростью, изменение частоты, с которой приемник ловит мячи, будет меньше, поскольку расстояние между ними меняется медленнее.
С точки зрения питчера частота остается постоянной (независимо от того, бросает ли он мячи или передает микроволны). Поскольку частота электромагнитного излучения, такого как микроволны или звук, обратно пропорциональна длине волны, это также влияет на длину волны. Таким образом, относительная разница в скорости между источником и наблюдателем является причиной возникновения эффекта Доплера. [1]
Формула радиолокационного доплеровского сдвига такая же, как и для отражения света движущимся зеркалом. [2] Нет необходимости ссылаться на специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна , поскольку все наблюдения проводятся в одной и той же системе отсчета. [3] Результат, полученный с использованием c как скорости света и v как целевой радиальной скорости , дает сдвинутую частоту ( ) как функцию исходной частоты ( ):
что упрощается до
Таким образом, «частота биений» (доплеровская частота) ( ) равна: [4]
Поскольку для большинства практических применений радаров , так . Тогда мы можем написать:
Существует четыре способа создания эффекта Доплера. Радары могут быть:
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 воздействиями окружающей среды, но различные недорогие ручные доплеровские радиолокационные устройства, не использующие это, могут давать ошибочные измерения.
Доплеровский радар непрерывного действия обеспечивает только выходную информацию о скорости, поскольку принятый сигнал от цели сравнивается по частоте с исходным сигналом. Ранние доплеровские радары включали CW, но это быстро привело к разработке радара непрерывного действия с частотной модуляцией ( FMCW ), который сканирует частоту передатчика для кодирования и определения дальности.
С появлением цифровых технологий импульсно-доплеровские радары (ПД) стали достаточно легкими для использования в самолетах, а доплеровские процессоры для когерентных импульсных радаров стали более распространенными. Это обеспечивает возможность наблюдения/сбития . Преимущество сочетания доплеровской обработки с импульсными радарами заключается в предоставлении точной информации о скорости. Эта скорость называется дальностью полета . Он описывает скорость, с которой цель движется к радару или от него. Цель, не имеющая дальности, отражает частоту, близкую к частоте передатчика, и не может быть обнаружена. Классическая цель с нулевым доплером — это цель, движущаяся по касательной 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) как потенциальный подход к доплеровской обработке из-за их низкой средней мощности, высокого разрешения и способности проникать через объекты. При исследовании возможности того, может ли технология СШП-радара включать доплеровскую обработку для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна, в отчете ARL за 2013 год были освещены проблемы, связанные с миграцией дальности цели. [5] Однако исследователи предположили, что эти проблемы можно решить, если использовать правильный согласованный фильтр . [6]
В военно-воздушных приложениях эффект Доплера имеет два основных преимущества. Во-первых, радар более устойчив к противодействию. Обратные сигналы от погоды, местности и средств противодействия, таких как помехи, отфильтровываются перед обнаружением, что снижает нагрузку на компьютер и оператора в агрессивных средах. Во-вторых, против маловысотной цели фильтрация радиальной скорости является очень эффективным способом устранения помех от земли, скорость которых всегда равна нулю. Низколетящий военный самолет с предупреждением о мерах противодействия обнаружению радара противника может повернуться перпендикулярно радару противника, чтобы свести на нет его доплеровскую частоту, которая обычно нарушает блокировку и выключает радар, прячась от отраженного сигнала от земли, который намного сильнее.
Доплеровский радар имеет тенденцию быть легким, поскольку в нем отсутствует оборудование с тяжелыми импульсами. Соответствующая фильтрация удаляет стационарные отражения, интегрируя сигналы за более длительный период времени, что улучшает дальность действия при одновременном снижении мощности. Военные применили эти преимущества в 1940-х годах.
Радар непрерывного вещания, или 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 Яги на левом крыле и приемную антенну Яги на правом крыле. Это позволяло бомбардировщикам летать с оптимальной скоростью при приближении к корабельным целям, а истребителям сопровождения наводить орудия на самолеты противника во время ночных операций. Эти стратегии были адаптированы для полуактивного радиолокационного самонаведения .
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 запатентован как «Методы и средства импульсного доплеровского радара» № 3,196,436.
Современные доплеровские системы достаточно легки для мобильного наземного наблюдения, связанного с пехотой и надводными кораблями. Они обнаруживают движение техники и личного состава для ведения боевых действий в ночное время и в любую погоду. Современные полицейские радары представляют собой уменьшенную и более портативную версию этих систем. [7] [8]
Ранние доплеровские радары использовали большие аналоговые фильтры для достижения приемлемых характеристик. Аналоговые фильтры, волноводы и усилители улавливают вибрацию подобно микрофонам, поэтому требуется громоздкое демпфирование вибрации. Этот дополнительный вес наложил неприемлемые кинематические ограничения на характеристики, которые ограничивали использование самолетов ночными полетами, плохой погодой и сильными помехами до 1970-х годов.
Цифровая фильтрация быстрого преобразования Фурье (БПФ) стала практичной, когда в 1970-х годах стали доступны современные микропроцессоры . Это было немедленно подключено к когерентным импульсным радарам, с помощью которых собиралась информация о скорости. Это оказалось полезным как для метеорологических радаров, так и для радаров управления воздушным движением . Информация о скорости предоставила еще один входной сигнал для программного средства отслеживания и улучшила компьютерное отслеживание. Из-за низкой частоты повторения импульсов (PRF) большинства когерентных импульсных радаров, которая максимально увеличивает зону покрытия по дальности, объем доплеровской обработки ограничен. Доплеровский процессор может обрабатывать только скорости до ±1/2 ЧПИ радара. Для метеорадиолокаторов это не проблема. Информацию о скорости воздушного судна нельзя получить непосредственно с радара с низким коэффициентом повторения импульсов, поскольку выборка ограничивает измерения скоростью примерно 75 миль в час.
Специализированные радары были быстро разработаны, когда цифровые технологии стали более легкими и доступными. Импульсно-доплеровские радары сочетают в себе все преимущества большой дальности и высокой скорости. Импульсно-доплеровские радары используют ЧПИ от средней до высокой (порядка от 3 до 30 кГц), что позволяет обнаруживать либо высокоскоростные цели, либо измерять скорость с высоким разрешением. Обычно это одно или другое; РЛС, предназначенная для обнаружения целей от нуля до 2 Маха , не имеет высокого разрешения по скорости, а РЛС, предназначенная для измерения скорости с высоким разрешением, не имеет широкого диапазона скоростей. Метеорологические радары представляют собой радары скорости с высоким разрешением, тогда как радары ПВО имеют большой диапазон определения скорости, но точность определения скорости исчисляется десятками 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 радары дорожного движения с одной антенной. Это стало возможным благодаря использованию круговой поляризации и многопортовой секции волновода, работающей в X-диапазоне. К концу 1970-х годов это изменилось на линейную поляризацию и использование ферритовых циркуляторов как в X, так и в K-диапазонах. Радары PD работают со слишком высокой ЧПИ, чтобы использовать газонаполненный переключатель передачи-приема, и в большинстве из них используются полупроводниковые устройства для защиты малошумящего усилителя приемника при срабатывании передатчика.
Доплеровские радары используются в авиации , зондирующих спутниках, системе StatCast Высшей лиги бейсбола , метеорологии , радиолокационных пушках , [9] радиологии и здравоохранении (обнаружение падения [10] и оценка риска, сестринское или клиническое назначение [11] ), а также бистатические радары . РЛС ( ракеты земля-воздух ). Также была предложена система обнаружения термитов . [12] [ чрезмерный вес? ]
Отчасти из-за того, что телевизионные метеорологи часто используют его в эфирных сводках погоды, конкретный термин « доплеровский радар » ошибочно стал широко синонимом типа радара, используемого в метеорологии. Большинство современных метеорадиолокаторов используют импульсно-доплеровский метод для изучения движения осадков , но это лишь часть обработки их данных. [13] [14] Итак, хотя эти радары используют узкоспециализированную форму доплеровского радара , этот тип радара гораздо шире по своему значению и применению.
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 действия (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 имеющим большую мощность [15].
Работа ускорилась после такого события в США, как супервспышка 1974 года , когда 148 торнадо пронеслись по тринадцати штатам. Радиолокатор того времени, использующий только отражательную способность, мог определить только структуру осадков грозовых облаков, но не мезоциклоническое вращение и расхождение ветров, приводящие к развитию торнадо или нисходящих порывов . Доплеровская система NSSL была введена в эксплуатацию в 1971 году и привела к развертыванию сети NEXRAD в конце 1980-х годов. [16]
Доплеровские радары использовались в качестве навигационного средства для самолетов и космических кораблей. Путем непосредственного измерения движения земли с помощью радара, а затем сравнения его со скоростью полета, полученной от приборов самолета, впервые удалось точно определить скорость ветра. Это значение затем использовалось для высокоточного расчета пути . Одним из первых примеров такой системы был радар Green Satin, используемый в компании English Electric Canberra . Эта система отправляла импульсный сигнал с очень низкой частотой повторения, поэтому для передачи и приема можно было использовать одну антенну. Генератор удерживал опорную частоту для сравнения с принятым сигналом . На практике первоначальная «фиксация» была сделана с использованием радионавигационной системы, обычно Gee , а затем Green Satin обеспечивал точную навигацию на большие расстояния за пределами дальности действия Gee в 350 миль. Подобные системы использовались на ряде самолетов той эпохи [17] и к 1960-м годам были объединены с основными поисковыми радарами истребителей.
Доплеровская навигация широко использовалась в коммерческой авиации в 1960-х годах, пока ее в значительной степени не вытеснили инерциальные навигационные системы . Аппаратура состояла из приемопередатчика, блока обработки и гиростабилизированной антенной платформы. Антенна генерировала четыре луча и вращалась с помощью сервомеханизма для выравнивания по траектории самолета путем выравнивания доплеровского сдвига левой и правой антенн. Синхронизатор передавал угол наклона платформы в кабину экипажа, обеспечивая тем самым измерение «угла сноса». Путевая скорость определялась по доплеровскому сдвигу между носовыми и кормовыми лучами. Они отображались в кабине экипажа на одном приборе. [ нужна цитата ] Некоторые самолеты имели дополнительный «доплеровский компьютер». Это было механическое устройство, содержащее стальной шар, вращаемый двигателем, скорость которого регулировалась доплеровской скоростью движения. Угол этого двигателя контролировался «углом дрейфа». Два фиксированных колеса, одно «впереди и назад», другое «слева направо», приводили счетчики в движение счетчиками, измеряя расстояние вдоль колеи и поперек колеи. Компас самолета был интегрирован в компьютер, так что желаемый курс можно было установить между двумя путевыми точками на маршруте большого круга над водой. Для 21-го числа это может показаться удивительным. века, но на самом деле он работал довольно хорошо и был большим улучшением по сравнению с другими методами «точного счисления», доступными в то время. Обычно это подкреплялось координатами местоположения от Лорана , VOR , NDB или, в крайнем случае, секстанта и хронометра. Перелететь Атлантику можно было с погрешностью в пару миль, находясь в радиусе действия пары VOR или NDB. Его основным недостатком на практике было состояние моря, поскольку спокойное море давало плохие результаты радара и, следовательно, ненадежные доплеровские измерения. Но в Северной Атлантике это случалось нечасто .
Методы доплеровского картирования на основе местоположения также использовались в исторической спутниковой навигационной системе Transit ВМС США со спутниковыми передатчиками и наземными приемниками и 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 доплеровское смещение вызвано относительным движением между наземной станцией и быстро движущимся спутником. Сочетание доплеровского смещения и времени приема можно использовать для создания локуса мест, которые будут иметь измеренное смещение, в котором оно пересекает поверхность Земли в данный момент: путем объединения этого с другими локусами, полученными из измерений в другое время, можно получить истинное местоположение наземную станцию можно определить точно. [ нужна цитата ]
