Jak działa radar dopplerowski?

Radar dopplerowski dla dział radarowych i pogody

Mobilna ciężarówka z radarem dopplerowskim uczestnicząca w projekcie Vortex 2 skanuje burzę wywołującą tornado w zachodniej Nebrasce. Ryan McGinnis, Getty Images

Jednym z odkrycia, które jest wykorzystywane na różne sposoby, jest efekt Dopplera , choć na pierwszy rzut oka odkrycie naukowe wydaje się raczej niepraktyczne.

Efekt Dopplera dotyczy fal, obiektów wytwarzających te fale (źródła) i obiektów, które odbierają te fale (obserwatorów). Zasadniczo mówi, że jeśli źródło i obserwator poruszają się względem siebie, to częstotliwość fali będzie dla nich różna. Oznacza to, że jest to forma naukowej teorii względności.

W rzeczywistości istnieją dwa główne obszary, w których ten pomysł został wykorzystany w praktycznym wyniku i oba zakończyły się manipulacją „radarem dopplerowskim”. Technicznie rzecz biorąc, radar dopplerowski jest używany przez funkcjonariuszy policji do określania prędkości pojazdu mechanicznego. Inną formą jest radar Pulse-Doppler, który służy do śledzenia prędkości opadów atmosferycznych i zwykle ludzie znają termin, który jest używany w tym kontekście podczas raportów pogodowych.

Radar dopplerowski: policyjny pistolet radarowy

Radar dopplerowski działa, wysyłając wiązkę promieniowanie elektromagnetyczne fale dostrojone do precyzyjnej częstotliwości poruszającego się obiektu. (Możesz oczywiście użyć radaru dopplerowskiego na nieruchomym obiekcie, ale jest to dość nieciekawe, chyba że cel się porusza).

Kiedy fala promieniowania elektromagnetycznego uderza w poruszający się obiekt, „odbija się” z powrotem w kierunku źródła, które zawiera również odbiornik oraz oryginalny nadajnik. Jednakże, ponieważ fala odbita od poruszającego się obiektu, fala jest przesunięta zgodnie z relatywistyczny efekt Dopplera .

Zasadniczo fala powracająca w kierunku działa radarowego jest traktowana jako zupełnie nowa fala, tak jakby została wyemitowana przez cel, od którego się odbiła. Cel zasadniczo działa jako nowe źródło tej nowej fali. Gdy zostanie odebrana przez działo, fala ta ma inną częstotliwość niż ta, z której została oryginalnie wysłana w kierunku celu.

Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne był z dokładną częstotliwością podczas wysyłania i ma nową częstotliwość po powrocie, można to wykorzystać do obliczenia prędkości, w , celu.

Radar impulsowy dopplerowski: pogodowy radar dopplerowski

Obserwując pogodę, to właśnie ten system pozwala na wirujące zobrazowanie wzorców pogodowych i, co ważniejsze, szczegółową analizę ich ruchu.

System radarowy Pulse-Doppler umożliwia nie tylko wyznaczenie prędkości liniowej, jak w przypadku działa radarowego, ale również pozwala na obliczenie prędkości radialnych. Czyni to poprzez wysyłanie impulsów zamiast wiązek promieniowania. Przesunięcie nie tylko częstotliwości, ale także cykli nośnych pozwala wyznaczyć te prędkości promieniowe.

Aby to osiągnąć, wymagana jest dokładna kontrola systemu radarowego. System musi być w stanie koherentnym, co pozwoli na stabilność faz impulsów promieniowania. Jedną z wad jest to, że istnieje maksymalna prędkość, powyżej której system Dopplera impulsowego nie może mierzyć prędkości radialnej.

Aby to zrozumieć, rozważmy sytuację, w której pomiar powoduje przesunięcie fazy impulsu o 400 stopni. Matematycznie jest to identyczne z przesunięciem o 40 stopni, ponieważ przeszło przez cały cykl (pełne 360 ​​stopni). Prędkości powodujące zmiany, takie jak ta, nazywane są „prędkością na ślepo”. Jest to funkcja częstotliwości powtarzania impulsów sygnału, więc zmieniając ten sygnał, meteorolodzy mogą temu do pewnego stopnia zapobiec.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine