Радар для измерения скорости

Измерительное устройство

Лазерный радар Microdigiticam, используемый в Бразилии

Ручной радар для измерения скорости

Радар для измерения скорости , также известный как радар , скоростной пистолет или скоростной ловушка , — это устройство, используемое для измерения скорости движущихся объектов. Он обычно используется полицией для проверки скорости движущихся транспортных средств при осуществлении контроля за соблюдением правил дорожного движения , а также в профессиональном спорте для измерения скорости, например, скорости бейсбольных полей , ^[1] теннисных подач и крикетных чаш . ^[2]

Радар-измеритель скорости — это доплеровский радарный блок, который может быть ручным, установленным на транспортном средстве или стационарным. Он измеряет скорость объектов, на которые он направлен, путем обнаружения изменения частоты возвращенного радиолокационного сигнала, вызванного эффектом Доплера , при котором частота возвращенного сигнала увеличивается пропорционально скорости приближения объекта, если объект приближается, и уменьшается, если объект удаляется. ^[3] Такие устройства часто используются для обеспечения соблюдения ограничений скорости , хотя более современные приборы LIDAR-измерители скорости , которые используют импульсный лазерный свет вместо радара, начали заменять радарные пушки в течение первого десятилетия двадцать первого века из-за ограничений, связанных с малыми радиолокационными системами.

История

Радар для измерения скорости был изобретен Джоном Л. Баркером-старшим и Беном Мидлоком, которые разрабатывали радар для военных, работая в компании Automatic Signal Company (позже Automatic Signal Division of LFE Corporation) в Норволке, штат Коннектикут, во время Второй мировой войны . Первоначально компания Automatic Signal обратилась к Grumman с просьбой решить конкретную проблему повреждения наземных шасси самолета-амфибии Consolidated PBY Catalina . Баркер и Мидлок смастерили доплеровский радар из запаянных кофейных банок, чтобы сделать микроволновые резонаторы. Устройство было установлено в конце взлетно-посадочной полосы на предприятии Grumman в Бетпейдже, штат Нью-Йорк , и направлено прямо вверх для измерения скорости снижения приземляющихся самолетов PBY. После войны Баркер и Мидлок испытали радар на Мерритт-Парквэй . ^[4] В 1947 году система была испытана полицией штата Коннектикут в Гластонбери, штат Коннектикут , первоначально для обследования дорожного движения и выдачи предупреждений водителям за превышение скорости. Начиная с февраля 1949 года полиция штата начала выписывать штрафы за превышение скорости на основании скорости, зафиксированной радарным устройством. ^[5] В 1948 году радар также использовался в Гарден-Сити, штат Нью-Йорк . ^[6]

Механизм

Офицер Корпуса военной полиции армии США использует радар на авиабазе Таллил в Ираке.

эффект Доплера

Радарные измерители скорости используют доплеровский радар для измерения скорости.

Радарные измерители скорости, как и другие типы радаров, состоят из радиопередатчика и приемника . Они посылают радиосигнал узким лучом, а затем принимают тот же сигнал обратно после того, как он отражается от целевого объекта. Из-за явления, называемого эффектом Доплера , если объект движется к пушке или от нее, частота отраженных радиоволн при их возвращении отличается от переданных волн. Когда объект приближается к радару, частота отраженных волн выше, чем переданных волн; когда объект удаляется, частота ниже. Из этой разницы радарный измеритель скорости может вычислить скорость объекта, от которого отразились волны. Эта скорость определяется следующим уравнением:

${\displaystyle {v}={\frac {\Delta f}{f}}\times {\frac {c}{2}}}$

где - скорость света , - излучаемая частота радиоволн, а - разница в частоте между излучаемыми и принимаемыми пушкой радиоволнами. Это уравнение выполняется точно только тогда, когда скорости объектов малы по сравнению со скоростью света, но в повседневных ситуациях это так, и скорость объекта прямо пропорциональна этой разнице в частоте. ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \Delta f}$

Стационарный радар

После получения обратных волн сигнал с частотой, равной этой разнице, создается путем смешивания полученного радиосигнала с небольшим количеством переданного сигнала. Так же, как две разные музыкальные ноты, сыгранные вместе, создают ноту биения на разнице частот между ними, так и когда эти два радиосигнала смешиваются, они создают сигнал «биения» (называемый гетеродином ). Затем электрическая схема измеряет эту частоту с помощью цифрового счетчика для подсчета количества циклов за фиксированный период времени и отображает число на цифровом дисплее как скорость объекта.

Поскольку этот тип скоростного пистолета измеряет разницу в скорости между целью и самим пистолетом, пистолет должен быть неподвижен, чтобы дать правильные показания. Если измерение производится из движущегося автомобиля, оно даст разницу в скорости между двумя транспортными средствами, а не скорость цели относительно дороги, поэтому была разработана другая система для работы из движущихся транспортных средств.

Движущийся радар

В так называемом «движущемся радаре» антенна радара принимает отраженные сигналы как от целевого транспортного средства, так и от неподвижных фоновых объектов, таких как дорожное покрытие, близлежащие дорожные знаки, ограждения и фонарные столбы. Вместо того чтобы сравнивать частоту сигнала, отраженного от цели, с переданным сигналом, она сравнивает целевой сигнал с этим фоновым сигналом. Разница частот между этими двумя сигналами дает истинную скорость целевого транспортного средства.

Соображения по дизайну

Современные радары для измерения скорости обычно работают в _{диапазонах} X , K , Ka и (в Европе) Ku .

Радары, работающие в диапазоне частот X (от 8 до 12 ГГц), становятся все менее распространенными, поскольку они производят сильный и легко обнаруживаемый луч. Кроме того, большинство автоматических дверей используют радиоволны в диапазоне X и могут влиять на показания полицейских радаров. В результате, диапазон K (от 18 до 27 ГГц) и диапазон K a (от 27 до 40 ГГц) чаще всего используются полицейскими агентствами.

Некоторые водители устанавливают радар-детекторы , которые могут предупреждать их о наличии впереди скоростной ловушки , а микроволновые сигналы от радара также могут изменить качество приема радиосигналов AM и FM при настройке на слабую станцию. По этим причинам ручной радар обычно включает в себя триггер включения-выключения, и радар включается только тогда, когда оператор собирается сделать измерение. Радар-детекторы являются незаконными в некоторых районах. ^{[7] [8]}

Ограничения

Разобранный радар-измеритель скорости. Медный конус — это микроволновая рупорная антенна . Справа — генератор на диоде Ганна , который генерирует микроволны.

Дорожные радары выпускаются во многих моделях. Ручные устройства в основном работают от батареек и в большинстве случаев используются в качестве стационарных инструментов контроля скорости. Стационарный радар может быть установлен в полицейских автомобилях и может иметь одну или две антенны. Движущийся радар используется, как следует из названия, когда полицейский автомобиль находится в движении, и может быть очень сложным, способным отслеживать приближающиеся и удаляющиеся автомобили как спереди, так и сзади патрульного автомобиля, а также отслеживать несколько целей одновременно. Он также может отслеживать самое быстрое транспортное средство в выбранном луче радара, спереди или сзади.

Однако существует ряд ограничений для использования радаров-измерителей скорости. Например, для того, чтобы оператор радара мог эффективно использовать оборудование, требуется обучение и сертификация пользователя, ^[9] при этом от обучаемых требуется последовательно визуально оценивать скорость транспортного средства в пределах +/-2 миль/ч от фактической целевой скорости, например, если фактическая скорость цели составляет 30 миль/ч, то оператор должен иметь возможность последовательно визуально оценивать целевую скорость как находящуюся в пределах от 28 до 32 миль/ч. Стационарный радар контроля дорожного движения должен занимать место над дорогой или сбоку от нее, поэтому пользователь должен понимать тригонометрию, чтобы точно оценивать скорость транспортного средства при изменении направления, пока одно транспортное средство движется в поле зрения. Фактическая скорость транспортного средства и показания радара, таким образом, редко совпадают из-за ^[10] так называемого эффекта косинуса . Однако для всех практических целей эта разница между фактической и измеренной скоростью несущественна и обычно составляет менее 1 мили в час, поскольку полиция обучена размещать радар так, чтобы минимизировать эту неточность, и если она присутствует, то ошибка всегда в пользу водителя, сообщающего о более низкой скорости, чем фактическая.

Кроме того, размещение радара может быть важным, чтобы избежать больших отражающих поверхностей вблизи радара. Такие отражающие поверхности могут создать многолучевой сценарий, когда луч радара может отразиться от непреднамеренной отражающей цели, найти другую цель и вернуться, тем самым вызывая показания, которые могут быть ошибочными для отслеживаемого трафика. ^{[ необходима цитата ]} Однако, MythBusters сделали эпизод о попытках заставить пистолет давать неправильные показания, изменяя поверхность проходящего объекта, и не обнаружили никакого существенного эффекта. ^{[11] [12]}

Радарные измерители скорости не различают цели в потоке машин, и для точного соблюдения скоростного режима необходима соответствующая подготовка оператора. Эта неспособность различать цели в поле зрения радара является основной причиной того, что оператору необходимо последовательно и точно визуально оценивать скорость целей с точностью до +/-2 миль в час, так что, например, если в поле зрения радара находится семь целей, и оператор может визуально оценить скорость шести из них примерно как 40 миль в час, а скорость одной из этих целей примерно как 55 миль в час, а радар показывает показания 56 миль в час, становится ясно, какую скорость цели измеряет устройство.

При работе движущегося радара возникает еще одно потенциальное ограничение, когда патрульная скорость радара фиксируется на других движущихся целях, а не на фактической скорости относительно земли. Это может произойти, если радар находится слишком близко к более крупной отражающей цели, такой как прицеп трактора. Чтобы облегчить это, использование вторичных входных данных скорости от шины CAN транспортного средства, сигнала VSS или использование скорости, измеренной GPS, может помочь уменьшить ошибки, предоставляя вторичную скорость для сравнения с измеренной скоростью.

Размер

Основным ограничением ручных и мобильных радарных устройств является размер. Диаметр антенны менее нескольких футов ограничивает направленность, что может быть компенсировано лишь частично увеличением частоты волны. Ограничения размера могут привести к тому, что ручные и мобильные радарные устройства будут производить измерения от нескольких объектов в поле зрения пользователя.

Антенна на некоторых из наиболее распространенных портативных устройств имеет диаметр всего 2 дюйма (5,1 см). Луч энергии, создаваемый антенной такого размера с использованием частот X-диапазона, занимает конус, который простирается примерно на 22 градуса вокруг линии визирования, общей шириной 44 градуса. Этот луч называется главным лепестком . Также есть боковой лепесток, простирающийся от 22 до 66 градусов от линии визирования, и другие лепестки, но боковые лепестки примерно в 20 раз (13  дБ ) менее чувствительны, чем главный лепесток, хотя они будут обнаруживать движущиеся объекты поблизости. Первичное поле зрения составляет около 130 градусов в ширину. K-диапазон уменьшает это поле зрения примерно до 65 градусов за счет увеличения частоты волны. Ka-диапазон уменьшает его еще больше примерно до 40 градусов. Обнаружение боковых лепестков можно устранить с помощью подавления боковых лепестков , что сужает поле зрения, но дополнительные антенны и сложная схема накладывают ограничения по размеру и цене, которые ограничивают это применение военными, авиадиспетчерскими службами и метеорологическими агентствами. Мобильный метеорологический радар устанавливается на полуприцепах для сужения луча.

Расстояние

Второе ограничение для портативных устройств заключается в том, что они должны использовать радар непрерывного излучения , чтобы сделать их достаточно легкими для мобильных устройств. Измерения скорости надежны только тогда, когда известно расстояние, на котором было зарегистрировано конкретное измерение. Измерения расстояния требуют импульсной работы или камер, когда в поле зрения находится более одного движущегося объекта. Радар непрерывного излучения может быть направлен непосредственно на транспортное средство на расстоянии 100 ярдов, но производить измерение скорости от второго транспортного средства на расстоянии 1 мили, если он направлен по прямой дороге. И снова возвращаемся к требованиям обучения и сертификации для последовательной и точной визуальной оценки, чтобы операторы могли быть уверены, какую скорость объекта измерило устройство без информации о расстоянии, которая недоступна для радара непрерывного излучения.

Некоторые сложные устройства могут производить различные измерения скорости от нескольких объектов в поле зрения. Это используется для того, чтобы можно было использовать скоростной пистолет из движущегося транспортного средства, где движущийся и неподвижный объект должны быть нацелены одновременно, а некоторые из самых сложных устройств способны отображать до четырех отдельных скоростей целей во время работы в режиме движения, что еще раз подчеркивает важность способности оператора последовательно и точно визуально оценивать скорость.

Среда

Окружающая среда и местность, в которой проводятся измерения, также могут играть свою роль. Например, использование ручного радара для сканирования движения на пустой дороге, стоя в тени большого дерева, может привести к риску обнаружения движения листьев и ветвей, если дует сильный ветер (обнаружение боковых лепестков). Над головой может пролетать незамеченный самолет, особенно если поблизости находится аэропорт, что еще раз подчеркивает важность надлежащей подготовки оператора.

Связанные камеры

Ограничения обычного радара можно устранить с помощью камеры, направленной вдоль линии визирования.

Камеры связаны с автоматизированными билетными автоматами (известными в Великобритании как камеры контроля скорости ), где радар используется для срабатывания камеры. Порог скорости радара устанавливается на уровне или выше максимально допустимой скорости транспортного средства. Радар активирует камеру для съемки нескольких снимков, когда близлежащий объект превышает эту скорость. Для определения скорости транспортного средства с использованием дорожной разметки требуются два снимка. Это может быть надежным для дорожного движения в городских условиях, когда в поле зрения находится несколько движущихся объектов. Однако именно камера и ее временная информация в данном случае определяют скорость отдельного транспортного средства, а радар просто предупреждает камеру о начале записи.

Новые инструменты

Лазерные устройства, такие как LIDAR speed gun , способны производить надежные измерения дальности и скорости в типичных городских и пригородных транспортных условиях без ограничений по обследованию местности и камер. Это надежно в городском движении, поскольку LIDAR имеет направленность, похожую на типичное огнестрельное оружие, поскольку луч имеет форму, больше похожую на карандаш, который производит измерение только от объекта, на который он был направлен.

Смотрите также

• ЛИДАР-детектор
• Радар-детектор

Ссылки

1. Уильям. "5 лучших бейсбольных радаров 2023 года [Обзоры и руководство по покупке]". Бейсбольные радары .
2. Понсонби, Кэмерон (2021-12-05). «Выглядит быстрым, ощущается быстрее — почему скоростной пистолет — это только часть истории». ESPNcricinfo .
3. Nave, Carl Rod (2017). «Полицейский радар». HyperPhysics . Атланта, Джорджия 30302-5060: Кафедра физики и астрономии, Университет штата Джорджия.{{cite web}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
4. Кеннеди, Пейган (30 августа 2013 г.). «Инновация: кто создал этот дорожный радар?». The New York Times . Версия этой статьи опубликована в печати на странице 17 журнала Sunday Magazine под заголовком: Кто это сделал? (дорожный радар).
5. "Спидеры в Коннектикуте пройдут настоящее испытание радаром". The New York Times . 6 февраля 1949 г. стр. 65. ГЛАСТОНБЕРИ, КОННЕКТИКУТ, 5 февраля
6. "Радар работает на скоростных автомобилях; годовые испытания на Лонг-Айленде показывают, что система является дорогостоящей". BUSINESS FINANCIAL. The New York Times . 9 февраля 1949 г. стр. 53. ГАРДЕН-СИТИ, LI, 8 февраля
7. Шерман, Тодд Л. «KB4MHH» (23 сентября 2019 г.) [август 1995 г.]. «Законы о мобильных сканерах и радар-детекторах в США» Гейнсвилл, округ Алачуа, Флорида: Fireline.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
8. «Законны ли радар-детекторы?». Сайт помощи Whistler Group . re:amaze.
9. .mw-parser-output span.smallcaps{font-variant:small-caps}.mw-parser-output span.smallcaps-smaller{font-size:85%}Кодекс транспортных средств Калифорнии § 40802 (в статье 1 главы 3 раздела 17)
10. Jendzurski, John; Paulter, Nicholas G. (май–июнь 2009 г.) [Принято: 6 марта 2009 г.]. "Калибровка радаров контроля скорости на дороге" (PDF) . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 114 (3). Gaithersburg, MD 20899: Управление стандартов правоприменения, Национальный институт стандартов и технологий, Министерство торговли США: 137–148. doi :10.6028/jres.114.009. PMC 4646567 . PMID  27504217. {{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
11. Риз, Питер; Хайнеман, Джейми; Сэвидж, Адам; Беллеси, Тори (13.10.2004). «Обойди радар-детектор». Разрушители мифов . Сезон 2 или 3. Эпизод 6 или 5. https://www.discovery.com/shows/mythbusters/episodes/beat-the-radar-detector говорит, что сезон 3, эпизод 5, но https://www.imdb.com/title/tt0758337/ говорит, что сезон 2, эпизод 6 {{cite episode}}: Внешняя ссылка в |postscript=( помощь )CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
12. "MythBusters Эпизод 18: Обойдите радар-детектор". Результаты MythBusters .