Radar doppler
Un radar Doppler es un radar especializado que utiliza el efecto Doppler para producir datos de velocidad sobre objetos a distancia. Lo hace haciendo rebotar una señal de microondas en un objetivo deseado y analizando cómo el movimiento del objeto ha alterado la frecuencia de la señal devuelta. Esta variación brinda mediciones directas y altamente precisas del componente radial de la velocidad de un objetivo en relación con el radar.
Concepto
Efecto Doppler
El efecto Doppler (o corrimiento Doppler), llamado así por el físico austriaco Christian Doppler, quien lo propuso en 1842, es la diferencia entre la frecuencia observada y la frecuencia emitida de una onda para un observador que se mueve en relación con la fuente de las ondas. Se escucha comúnmente cuando un vehículo que suena una sirena se acerca, pasa y se aleja de un observador. La frecuencia recibida es mayor (respecto a la frecuencia emitida) durante la aproximación, es idéntica en el instante de paso y es menor durante la recesión. Esta variación de frecuencia también depende de la dirección en que se mueva la fuente de onda con respecto al observador; es máximo cuando la fuente se mueve directamente hacia o desde el observador y disminuye al aumentar el ángulo entre la dirección del movimiento y la dirección de las ondas, hasta que cuando la fuente se mueve en ángulo recto con el observador, no hay desplazamiento.
Imagínese a un lanzador de béisbol lanzando una pelota cada segundo a un receptor (una frecuencia de 1 pelota por segundo). Suponiendo que las bolas viajan a una velocidad constante y que el lanzador está estacionario, el receptor atrapa una bola cada segundo. Sin embargo, si el lanzador trota hacia el receptor, el receptor atrapa las bolas con más frecuencia porque las bolas están menos espaciadas (la frecuencia aumenta). Lo contrario es cierto si el lanzador se aleja del receptor. El receptor atrapa pelotas con menos frecuencia debido al movimiento hacia atrás del lanzador (la frecuencia disminuye). Si el lanzador se mueve en ángulo, pero a la misma velocidad, la variación de frecuencia a la que el receptor atrapa las bolas es menor, ya que la distancia entre los dos cambia más lentamente.
Desde el punto de vista del lanzador, la frecuencia permanece constante (ya sea que esté lanzando pelotas o transmitiendo microondas). Dado que con la radiación electromagnética como las microondas o con el sonido, la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, la longitud de onda de las ondas también se ve afectada. Por lo tanto, la diferencia relativa de velocidad entre una fuente y un observador es lo que da lugar al efecto Doppler.
Variación de frecuencia
La fórmula para el cambio de radar Doppler es la misma que para la reflexión de la luz por un espejo en movimiento. No hay necesidad de invocar la teoría de Albert Einstein de la relatividad especial, porque todas las observaciones se hacen en el mismo marco de referencia. El resultado derivado con c como la velocidad de la luz y v como la velocidad de destino da la frecuencia de desplazamiento (fr{displaystyle f_{r}) como una función de la frecuencia original (ft{displaystyle f_{t})
- fr=ft()1+v/c1− − v/c){displaystyle F_{r}=f_{t}left({frac {1+v/c}{1-v/c}right)}
que se simplifica a
- fr=ft()c+vc− − v){displaystyle ¿Qué?
La "frecuencia mejor", (frecuencia Doppler) (fd{displaystyle f_{d}), es así:
- fd=fr− − ft=2vft()c− − v){displaystyle F_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{frac {f} {f}}} {f}} {f}}}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}} {f}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {c-}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {c-}}}}} {c-}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}
Desde la mayoría de las aplicaciones prácticas de radar, v≪ ≪ c{displaystyle vll c}Así que ()c− − v)→ → c{displaystyle left(c-vright)rightarrow c}. Entonces podemos escribir:
- fd.. 2vftc{displaystyle F_{d}approx 2v{frac {f} {f}} {f}}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}}} {f}}}} {f} {f}} {f}}}}}}}}}}} {f} {f} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}
Tecnología
Hay cuatro formas de producir el efecto Doppler. Los radares pueden ser:
- Coherente pulsado (CP),
- radar Pulse-Doppler,
- Onda continua (CW), o
- Modulación de frecuencias (FM).
Doppler permite el uso de filtros receptores de banda estrecha que reducen o eliminan las señales de objetos estacionarios y de movimiento lento. Esto elimina efectivamente las señales falsas producidas por árboles, nubes, insectos, pájaros, viento y otras influencias ambientales, pero varios dispositivos portátiles de radar Doppler de bajo costo que no usan esto pueden producir mediciones erróneas.
El radar Doppler CW solo proporciona una salida de velocidad a medida que la señal recibida del objetivo se compara en frecuencia con la señal original. Los primeros radares Doppler incluían CW, pero estos llevaron rápidamente al desarrollo del radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW), que barre la frecuencia del transmisor para codificar y determinar el alcance.
Con el advenimiento de las técnicas digitales, los radares Doppler de pulso (PD) se volvieron lo suficientemente livianos para uso aeronáutico, y los procesadores Doppler para radares de pulso coherente se volvieron más comunes. Eso proporciona la capacidad Look-down/shoot-down. La ventaja de combinar el procesamiento Doppler con los radares de pulso es proporcionar información precisa sobre la velocidad. Esta velocidad se llama tasa de rango. Describe la velocidad a la que un objetivo se acerca o se aleja del radar. Un objetivo sin tasa de alcance refleja una frecuencia cercana a la frecuencia del transmisor y no se puede detectar. El objetivo doppler cero clásico es aquel que se encuentra en un rumbo que es tangencial al haz de la antena del radar. Básicamente, cualquier objetivo que se dirija 90 grados en relación con el haz de la antena no puede ser detectado por su velocidad (solo por su reflectividad convencional).
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) ha investigado las formas de onda de banda ultraancha como un enfoque potencial para el procesamiento Doppler debido a su baja potencia promedio, alta resolución y capacidad de penetración de objetos. Mientras investigaba la viabilidad de si la tecnología de radar UWB puede incorporar el procesamiento Doppler para estimar la velocidad de un objetivo en movimiento cuando la plataforma está estacionaria, un informe de ARL de 2013 destacó problemas relacionados con la migración del rango de objetivos. Sin embargo, los investigadores han sugerido que estos problemas se pueden aliviar si se utiliza el filtro adecuado.
En aplicaciones aerotransportadas militares, el efecto Doppler tiene 2 ventajas principales. En primer lugar, el radar es más robusto contra las contramedidas. Las señales de retorno del clima, el terreno y las contramedidas, como la paja, se filtran antes de la detección, lo que reduce la carga de la computadora y del operador en entornos hostiles. En segundo lugar, contra un objetivo de baja altitud, el filtrado de la velocidad radial es una forma muy eficaz de eliminar el eco del suelo que siempre tiene una velocidad nula. El avión militar de vuelo bajo con alerta de contramedidas para la adquisición de seguimiento de radar hostil puede girar perpendicularmente al radar hostil para anular su frecuencia Doppler, lo que generalmente rompe el bloqueo y apaga el radar al esconderse contra el retorno terrestre, que es mucho más grande.
Historia
El radar Doppler tiende a ser liviano porque elimina el hardware pesado de pulsos. El filtrado asociado elimina los reflejos estacionarios mientras integra señales durante un período de tiempo más largo, lo que mejora el rendimiento del rango y reduce la potencia. Los militares aplicaron estas ventajas durante la década de 1940.
El radar de transmisión continua, o FM, se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para los aviones de la Armada de los Estados Unidos, para apoyar las operaciones de combate nocturno. La mayoría usaba el espectro UHF y tenía una antena transmisora Yagi en el ala de babor y una antena receptora Yagi en el ala de estribor. Esto permitió a los bombarderos volar a una velocidad óptima cuando se acercaban a los objetivos de los barcos, y permitió que los aviones de combate de escolta entrenaran cañones contra los aviones enemigos durante la operación nocturna. Estas estrategias se adaptaron a la localización por radar semiactiva.
En 1951, Carl A. Wiley inventó el radar de apertura sintética que, aunque distinto del radar Doppler convencional, se basaba en los principios Doppler y originalmente se patentó como "Métodos y medios del radar Doppler pulsado" #3,196,436.
Los sistemas Doppler modernos son lo suficientemente livianos para la vigilancia terrestre móvil asociada con la infantería y los barcos de superficie. Estos detectan el movimiento de vehículos y personal para operaciones de combate nocturnas y en todo clima. Los radares policiales modernos son una versión más pequeña y portátil de estos sistemas.
Los primeros equipos de radar Doppler se basaban en grandes filtros analógicos para lograr un rendimiento aceptable. Los filtros analógicos, la guía de ondas y los amplificadores captan vibraciones como los micrófonos, por lo que se requiere una amortiguación de vibraciones voluminosa. Ese peso adicional impuso limitaciones de rendimiento cinemático inaceptables que restringieron el uso de aeronaves a operaciones nocturnas, condiciones climáticas adversas y entornos de interferencias intensas hasta la década de 1970.
El filtrado digital por transformada rápida de Fourier (FFT) se volvió práctico cuando los microprocesadores modernos estuvieron disponibles durante la década de 1970. Este se conectó inmediatamente a radares de pulsos coherentes, de donde se extrajo información de velocidad. Esto resultó útil tanto en radares de control de tráfico aéreo como meteorológicos. La información de velocidad proporcionó otra entrada al rastreador de software y mejoró el seguimiento de la computadora. Debido a la baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de la mayoría de los radares de pulsos coherentes, que maximiza la cobertura en el rango, la cantidad de procesamiento Doppler es limitada. El procesador Doppler solo puede procesar velocidades de hasta ±1/2 de la PRF del radar. Esto no es un problema para los radares meteorológicos. La información de velocidad de las aeronaves no se puede extraer directamente del radar de baja PRF porque el muestreo restringe las mediciones a unas 75 millas por hora.
Los radares especializados se desarrollaron rápidamente cuando las técnicas digitales se volvieron livianas y más asequibles. Los radares Pulse-Doppler combinan todos los beneficios de la capacidad de largo alcance y alta velocidad. Los radares Pulse-Doppler utilizan una PRF de media a alta (del orden de 3 a 30 kHz), lo que permite la detección de objetivos de alta velocidad o mediciones de velocidad de alta resolución. Normalmente es uno u otro; un radar diseñado para detectar objetivos de cero a Mach 2 no tiene una alta resolución en velocidad, mientras que un radar diseñado para mediciones de alta resolución de velocidad no tiene una amplia gama de velocidades. Los radares meteorológicos son radares de velocidad de alta resolución, mientras que los radares de defensa aérea tienen un amplio rango de detección de velocidad, pero la precisión en la velocidad es de decenas de nudos.
Los diseños de antenas para CW y FM-CW comenzaron como antenas de transmisión y recepción separadas antes de la llegada de los diseños de microondas asequibles. A fines de la década de 1960, comenzaron a producirse radares de tráfico que usaban una sola antena. Esto fue posible gracias al uso de polarización circular y una sección de guía de onda multipuerto que opera en la banda X. A fines de la década de 1970, esto cambió a polarización lineal y al uso de circuladores de ferrita en las bandas X y K. Los radares PD funcionan a una PRF demasiado alta para usar un interruptor lleno de gas de transmisión-recepción, y la mayoría usa dispositivos de estado sólido para proteger el amplificador de bajo ruido del receptor cuando se dispara el transmisor.
Aplicaciones
Los radares Doppler se utilizan en aviación, satélites de sondeo, sistema StatCast de Major League Baseball, meteorología, pistolas de radar, radiología y atención médica (detección de caídas y evaluación de riesgos, fines de enfermería o clínicas) y radar biestático (superficie- misiles al aire). También se propuso un sistema de detección de termitas.
Tiempo
En parte debido a su uso común por los meteorólogos de televisión en los informes meteorológicos en el aire, el término específico "Radar Doppler" se ha convertido erróneamente en sinónimo popular del tipo de radar utilizado en meteorología. La mayoría de los radares meteorológicos modernos utilizan la técnica de pulso Doppler para examinar el movimiento de la precipitación, pero es solo una parte del procesamiento de sus datos. Entonces, si bien estos radares usan una forma altamente especializada de radar Doppler, este tipo de radar es mucho más amplio en su significado y sus aplicaciones.
El trabajo sobre la función Doppler para radares meteorológicos tiene una larga historia en muchos países. En junio de 1958, los investigadores estadounidenses David Holmes y Robert Smith pudieron detectar la rotación de un tornado utilizando el radar móvil de onda continua (foto de la derecha). El laboratorio de Norman, que luego se convirtió en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas (NSSL), modificó este radar para convertirlo en un radar Doppler pulsado que permitiera conocer más fácilmente la posición de los ecos y tener una mayor potencia.
El trabajo se aceleró después de un evento en los Estados Unidos como el Súper Brote de 1974 cuando 148 tornados rugieron a través de trece estados. El radar de reflectividad de la época solo podía ubicar la estructura de precipitación de las nubes de tormenta, pero no la rotación mesocicónica y la divergencia de los vientos que conducen al desarrollo de tornados o ráfagas. El NSSL Doppler entró en funcionamiento en 1971 y condujo al despliegue de la red NEXRAD a finales de la década de 1980.
Navegación
Los radares Doppler se utilizaron como ayuda para la navegación de aviones y naves espaciales. Midiendo directamente el movimiento del suelo con el radar y luego comparándolo con la velocidad del aire devuelta por los instrumentos de la aeronave, la velocidad del viento se pudo determinar con precisión por primera vez. Este valor se usó luego para la navegación a estima de alta precisión. Uno de los primeros ejemplos de un sistema de este tipo fue el radar Green Satin utilizado en el English Electric Canberra. Este sistema enviaba una señal pulsada a una tasa de repetición muy baja, por lo que podía usar una sola antena para transmitir y recibir. Un oscilador mantuvo la frecuencia de referencia para compararla con la señal recibida. En la práctica, el "arreglo" se tomó utilizando un sistema de navegación por radio, normalmente Gee, y el Green Satin luego proporcionó una navegación precisa de larga distancia más allá del rango de 350 millas de Gee. Se utilizaron sistemas similares en varios aviones de la época y se combinaron con los principales radares de búsqueda de los diseños de caza en la década de 1960.
La navegación Doppler era de uso común en la aviación comercial en la década de 1960 hasta que fue reemplazada en gran medida por los sistemas de navegación inercial. El equipo constaba de una unidad transmisora/receptora, una unidad de procesamiento y una plataforma de antena giroestabilizada. La antena generó cuatro haces y fue rotada por un servomecanismo para alinearse con la trayectoria de la aeronave al igualar el desplazamiento Doppler de las antenas izquierda y derecha. Un sincronizador transmitió el ángulo de la plataforma a la cabina de vuelo, proporcionando así una medida del "ángulo de deriva". La velocidad respecto al suelo se determinó a partir del desplazamiento Doppler entre los haces orientados hacia delante y hacia atrás. Estos se mostraron en la cabina de vuelo en un solo instrumento. Algunos aviones tenían una 'computadora Doppler' adicional. Este era un dispositivo mecánico que contenía una bola de acero girada por un motor cuya velocidad estaba controlada por la velocidad de avance determinada por Doppler. El ángulo de este motor estaba controlado por el 'ángulo de deriva'. Dos ruedas fijas, una 'adelante y atrás' el otro 'de izquierda a derecha' condujo contadores a la distancia de salida a lo largo de la pista y a través de la diferencia de pista. La brújula de la aeronave se integró en la computadora para que se pudiera establecer una ruta deseada entre dos puntos de referencia en una ruta de gran círculo sobre el agua. Puede parecer sorprendente para 21st. lectores del siglo pasado, pero en realidad funcionó bastante bien y fue una gran mejora con respecto a otros 'estimaciones muertas' métodos disponibles en ese momento. Por lo general, estaba respaldado con correcciones de posición de Loran o, como último recurso, sextante y cronómetro. Era posible cruzar el Atlántico con un error de un par de millas cuando estaba dentro del alcance de un par de VOR o NDB. Su principal defecto en la práctica era el estado del mar, ya que un mar en calma proporcionaba resultados de radar deficientes y, por lo tanto, mediciones Doppler poco fiables. Pero esto era poco frecuente en el Atlántico Norte.
Navegación basada en lugares geométricos
Las técnicas Doppler basadas en la ubicación también se utilizaron en el histórico sistema de navegación por satélite Transit de la Marina de los EE. UU., con transmisores de satélite y receptores terrestres, y actualmente se utilizan en el sistema civil Argos, que utiliza receptores de satélite y receptores terrestres. transmisores basados en En estos casos, las estaciones terrestres son estacionarias o se mueven lentamente, y el desplazamiento Doppler que se mide es causado por el movimiento relativo entre la estación terrestre y el satélite que se mueve rápidamente. La combinación de la compensación Doppler y el tiempo de recepción se puede utilizar para generar un lugar geométrico de ubicaciones que tendrían la compensación medida en la intersección con la superficie de la Tierra en ese momento: al combinar esto con otros lugares geométricos de mediciones en otros momentos, la la verdadera ubicación de la estación terrestre se puede determinar con precisión.
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