Доплерлік радар және метеорологиядағы қолданылуы

Кіріспе

Радар жабдықтарының түрлері және метеорологияда қолданылуы

Доплер радары – бұл Доплер эффектісін пайдаланып, алыстағы объектілердің жылдамдығы туралы деректерді анықтайтын арнайы радар. Ол микротолқынды сигналды белгілі нысанаға бағыттап, нысананың қозғалысы қайтарылған сигналдың жиілігін қалай өзгерткенін талдайды. Бұл өзгеріс нысананың радарға қатысты радиалды жылдамдығының тікелей және жоғары дәл өлшемдерін береді. Бұл термин авиация, полиция радарлары, навигация, метеорология және т.б. сияқты көптеген салалардағы радар жүйелеріне қолданылады.

Допплер эффектісі

Допплер эффектісі (немесе Допплер ауытқуы) 1842 жылы оны ұсынған австриялық физик Кристиан Допплер есімімен аталған. Бұл толқынның көзіне қатысты қозғалатын бақылаушы үшін толқынның байқалатын жиілігі мен шығарылатын жиілігінің арасындағы айырмашылық. Ол көліктің сиренасы бақылаушыға жақындағанда, қасынан өткенде және алыстағанда ең жақсы естіледі. Жақындағанда қабылданған жиілік (шығарылған жиілікке қарағанда) жоғарылайды, көлік қасынан өткен сәтте жиіліктер тең болады, ал алыстағанда төмендейді. Бұл жиілік өзгеруі толқын көзінің бақылаушыға қатысты қозғалыс бағытына да байланысты. Көз бақылаушыға тікелей жақындағанда немесе алыстағанда жиілік ең жоғары болады, ал қозғалыс бағыты мен толқындардың бағыты арасындағы бұрыш артқан сайын азаяды. Егер көз бақылаушыға тік бұрышпен қозғалса, онда жиілікте өзгеріс болмайды. Мысалы, бейсболшының әр секунд сайын бір допты ұстап алушыға (секундына 1 доп жиілігімен) лақтырғанын көзге елестетіңіз. Егер доптар тұрақты жылдамдықпен қозғалса және бейсболшы қозғалмаса, ұстап алушы әр секунд сайын бір допты ұстайды. Бірақ егер бейсболшы ұстап алушыға қарай жүгірсе, ұстап алушы доптарды жиірек ұстайды, себебі доптар арасындағы қашықтық азаяды (жиілік артады). Егер бейсболшы ұстап алушыдан алыстаса, керісінше болады. Ұстап алушы доптарды сиректете ұстайды, себебі бейсболшының артқа қарай қозғалысы жиілікті төмендетеді. Егер бейсболшы бұрышпен, бірақ сол жылдамдықпен қозғалса, ұстап алушы доптарды ұстайтын жиіліктегі өзгеріс азаяды, өйткені екеуінің арасындағы қашықтық баяу өзгереді. Бейсболшының көзқарасынан жиілік тұрақты болып қалады (ол доптарды лақтырғанда да, микротолқындарды жібергенде де). Электромагниттік сәулеленуде (мысалы, микротолқындарда) немесе дыбыста жиілік толқын ұзындығына кері пропорционал болғандықтан, толқын ұзындығы да өзгереді. Осылайша, көз бен бақылаушы арасындағы жылдамдықтың салыстырмалы айырмашылығы Допплер эффектісін тудырады.

The Doppler effect (or Doppler shift), named after Austrian physicist Christian Doppler who proposed it in 1842, is the difference between the observed frequency and the emitted frequency of a wave for an observer moving relative to the source of the waves. It is commonly heard when a vehicle sounding a siren approaches, passes and recedes from an observer. The received frequency is higher (compared to the emitted frequency) during the approach, it is identical at the instant of passing by, and it is lower during the recession. This variation of frequency also depends on the direction the wave source is moving with respect to the observer; it is maximum when the source is moving directly toward or away from the observer and diminishes with increasing angle between the direction of motion and the direction of the waves, until when the source is moving at right angles to the observer, there is no shift. Imagine a baseball pitcher throwing one ball every second to a catcher (a frequency of 1 ball per second). Assuming the balls travel at a constant velocity and the pitcher is stationary, the catcher catches one ball every second. However, if the pitcher is jogging towards the catcher, the catcher catches balls more frequently because the balls are less spaced out (the frequency increases). The inverse is true if the pitcher is moving away from the catcher. The catcher catches balls less frequently because of the pitcher's backward motion (the frequency decreases). If the pitcher moves at an angle, but at the same speed, the frequency variation at which the receiver catches balls is less, as the distance between the two changes more slowly. From the point of view of the pitcher, the frequency remains constant (whether he's throwing balls or transmitting microwaves). Since with electromagnetic radiation like microwaves or with sound, frequency is inversely proportional to wavelength, the wavelength of the waves is also affected. Thus, the relative difference in velocity between a source and an observer is what gives rise to the Doppler effect.

Тарих

Допплерлік радарлар жеңіл болады, себебі ауыр импульстік жабдықты жояды. Байланысты сүзгілеу тұрақты шағылыстарды жояды, сигналды ұзақ уақыт аралығында біріктіреді, бұл қуатты азайта отырып, қашықтық сипаттамаларын жақсартады. Әскерилер бұл артықшылықтарды 1940 жылдары қолданды. Ұзындығынан тарату немесе FM радары, АҚШ Әскери-теңіз күштерінің ұшақтары үшін Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде түнгі ұрыс операцияларын қолдау мақсатында жасалды. Көбінесе UHF спектрін пайдаланды, сол қанатта Yagi тарату антеннасы және оң қанатта Yagi қабылдау антеннасы болды. Бұл бомбалаушыларға кеме нысаналарына жақындағанда оңтайлы жылдамдықпен ұшуға мүмкіндік берді, ал эскорттаушы истребительдерге түнгі операция кезінде жау ұшақтарына оқ атуға жағдай жасады. Бұл стратегиялар жартылай белсенді радарлық басқаруға бейімделді. 1951 жылы Карл А. Уайли синтетикалық апертуралық радарды ойлап тапты, ол негізгі Допплер радарынан ерекшеленсе де, Допплер қағидаларына негізделген және бастапқыда «Импульсті Допплер радарының әдістері мен құралдары» деген атпен #3,196,436 ретінде тіркелді. Қазіргі заманғы Допплер жүйелері жаяу әскері мен су үстіндегі кемелерге байланысты жерді бақылау үшін жеңіл. Бұл жүйелер түнгі және кез келген ауа райындағы ұрыс операциялары үшін көлік құралдары мен персоналдың қозғалысын анықтайды. Қазіргі заманғы полиция радарлары осы жүйелердің кішірек, тасымалдауға ыңғайлы нұсқасы болып табылады. Алғашқы Допплер радарлары қанағаттанарлық өнімділікке жету үшін үлкен аналогты сүзгілерге сүйенді. Аналогты сүзгілер, толқын жетектері және күшейткіштер микрофон сияқты дірілді қабылдайды, сондықтан үлкен дірілді басу қажет болды. Бұл қосымша салмақ 1970 жылға дейін ұшақтарды түнгі уақытта, ауа райының нашар болуымен және күшті кедергі ортасында пайдалануды шектейтін кинематикалық өнімділік шектеулерін тудырды. Цифрлық жылдам Фурье түрлендіруі (FFT) сүзгілеуі 1970 жылдары заманауи микропроцессорлар қолжетімді болған кезде іс жүзінде мүмкін болды. Бұл бірден когерентті импульсті радарлармен байланысты, онда жылдамдық туралы ақпарат алынды. Бұл ауа райы және әуе қозғалысын бақылау радарларында пайдалы болды. Жылдамдық туралы ақпарат бағдарламалық жасақтамаға қосымша деректерді енгізді және компьютерлік бақылауды жақсартты. Көптеген когерентті импульсті радарлардың импульсті қайталау жиілігінің (PRF) төмен болуы ауқымдағы қамтуды барынша арттырады, сондықтан Допплер өңдеуінің көлемі шектеулі. Допплер процессоры радардың PRF ±1/2 жылдамдыққа дейін ғана жылдамдықты өңдеуге қабілетті. Бұл ауа райы радарлары үшін мәселе емес. Ұшақтардың жылдамдығы туралы ақпаратты PRF төмен радардан тікелей алу мүмкін емес, өйткені үлгілеу сағатына шамамен 75 миль өлшеуді шектейді. Цифрлық техникалар жеңіл және қолжетімді болған кезде радардың арнайы түрлері жылдам дамыды. Импульсті Допплер радарлары ұзақ қашықтыққа және жоғары жылдамдыққа жетудің барлық артықшылықтарын біріктіреді. Импульсті Допплер радарлары орташа және жоғары PRF (шамамен 3-30 кГц) қолданады, бұл жоғары жылдамдықтағы нысаналарды немесе жоғары ажыратылатын жылдамдық өлшемдерін анықтауға мүмкіндік береді. Әдетте, бұл екі мүмкіндіктің біреуі қолданылады; нөлден Мах 2 дейінгі нысаналарды анықтауға арналған радар жылдамдықтың жоғары ажыратылуына ие болмайды, ал жоғары ажыратылатын жылдамдық өлшемдеріне арналған радар жылдамдықтардың кең ауқымына ие болмайды. Ауа райы радарлары жоғары ажыратылатын жылдамдық радарлары болып табылады, ал әуе қорғанысы радарлары жылдамдықты анықтаудың үлкен ауқымына ие, бірақ жылдамдықтың дәлдігі ондаған түйінге тең. CW және FM CW антенналарының дизайны арзан микротолқынды дизайн пайда болғанға дейін бөлек тарату және қабылдау антенналары ретінде басталды. 1960 жылдардың соңында бір антеннаны пайдаланатын жол қозғалысы радарлары шығарыла бастады. Бұл дөңгелек поляризацияны және Х жолағында жұмыс істейтін көп портты толқын жетекші бөлімін пайдалану арқылы мүмкін болды. 1970 жылдардың соңында бұл сызықтық поляризацияға және X және K жолақтарында феррит циркуляторларын пайдалануға ауысты. PD радарлары газбен толтырылған коммутаторды пайдалану үшін PRF өте жоғары болғандықтан, көпшілігі таратушы іске қосылған кезде қабылдағыштың төмен шу күшейткішін қорғау үшін қатты күйдегі құрылғыларды қолданады.

Doppler radar tends to be lightweight because it eliminates heavy pulse hardware. The associated filtering removes stationary reflections while integrating signals over a longer time span, which improves range performance while reducing power. The military applied these advantages during the 1940s. Continuous broadcast, or FM, radar was developed during World War II for United States Navy aircraft, to support night combat operation. Most used the UHF spectrum and had a transmit Yagi antenna on the port wing and a receiver Yagi antenna on the starboard wing. This enabled bombers to fly an optimum speed when approaching ship targets, and let escort fighter aircraft train guns on enemy aircraft during night operation. These strategies were adapted to semi active radar homing. In 1951, Carl A. Wiley invented synthetic aperture radar, which, though distinct from mainstream Doppler radar, was based on Doppler principles, and originally patented as "Pulsed Doppler Radar Methods and Means," #3,196,436. Modern Doppler systems are light enough for mobile ground surveillance associated with infantry and surface ships. These detect motion from vehicles and personnel for night and all weather combat operation. Modern police radar are a smaller, more portable version of these systems. Early Doppler radar sets relied on large analog filters to achieve acceptable performance. Analog filters, waveguide, and amplifiers pick up vibration like microphones, so bulky vibration damping is required. That extra weight imposed unacceptable kinematic performance limitations that restricted aircraft use to night operation, heavy weather, and heavy jamming environments until the 1970s. Digital fast Fourier transform (FFT) filtering became practical when modern microprocessors became available during the 1970s. This was immediately connected to coherent pulsed radars, where velocity information was extracted. This proved useful in both weather and air traffic control radars. The velocity information provided another input to the software tracker, and improved computer tracking. Because of the low pulse repetition frequency (PRF) of most coherent pulsed radars, which maximizes the coverage in range, the amount of Doppler processing is limited. The Doppler processor can only process velocities up to ±1/2 the PRF of the radar. This is not a problem for weather radars. Velocity information for aircraft cannot be extracted directly from low PRF radar because sampling restricts measurements to about 75 miles per hour. Specialized radars quickly were developed when digital techniques became lightweight and more affordable. Pulse Doppler radars combine all the benefits of long range and high velocity capability. Pulse Doppler radars use a medium to high PRF (on the order of 3 to 30 kHz), which allows for the detection of either high speed targets or high resolution velocity measurements. Normally it is one or the other; a radar designed for detecting targets from zero to Mach 2 does not have a high resolution in speed, while a radar designed for high resolution velocity measurements does not have a wide range of speeds. Weather radars are high resolution velocity radars, while air defense radars have a large range of velocity detection, but the accuracy in velocity is in the tens of knots. Antenna designs for the CW and FM CW started out as separate transmit and receive antennas before the advent of affordable microwave designs. In the late 1960s, traffic radars began being produced which used a single antenna. This was made possible by the use of circular polarization and a multi port waveguide section operating at X band. By the late 1970s this changed to linear polarization and the use of ferrite circulators at both X and K bands. PD radars operate at too high a PRF to use a transmit receive gas filled switch, and most use solid state devices to protect the receiver low noise amplifier when the transmitter is fired.

Қолданбалар

Доплерлік радарлар авиацияда, атмосфераны зерттейтін спутниктeрде, МЛБ-ның StatCast жүйесінде, метеорологияда, жылдамдық өлшегіштерде, радиологияда және денсаулық сақтау саласында (күдіреттің жоқтығын анықтау және тәуекелді бағалау, медбикелік немесе клиникалық мақсаттарда), сондай-ақ бистатикалық радарларда (жер-әуе зымырандарында) қолданылады.

Ауа райы

Телевизиялық метеорологтардың ауа райы хабарлауда оны жиі қолдануының салдарынан, "Доплер радары" термині қате түрде метеорологияда қолданылатын радар түрімен теңестіріліп кетті. Көптеген қазіргі заманғы ауа райы радарлары жауын-шашын қозғалысын зерттеу үшін импульстік Доплер техникасын пайдаланады, бірақ бұл олардың деректерін өңдеу процесінің бір бөлігі ғана. Осылайша, бұл радарлар Доплер радарының жоғары мамандандырылған түрін қолданса да, бұл радар түрінің мағынасы мен қолданылу саласы одан әлдеқайда кең. Ауа райы радарлары үшін Доплер функциясы бойынша жұмыс көптеген елдерде ұзақ тарихқа ие. 1958 жылдың маусым айында американдық зерттеушілер Дэвид Холмс пен Роберт Смит жылжымалы үздіксіз толқындық радар (оң жақтағы сурет) арқылы торнадоның айналуын анықтауға қол жеткізді. Кейіннен Ұлттық қатты дауылдар зертханасы (NSSL) болып аталған Норманның зертханасы бұл радарды импульстік Доплер радарына түрлендірді, бұл эхолардың орнын анықтауды жеңілдетіп, қуатын арттырды. 1974 жылы АҚШ-та болған "Супер жарылыс" сияқты оқиғадан кейін жұмыс қарқыны күшейді, онда он үш штат бойынша 148 торнадо болып өтті. Сол кездегі рефлективтілік радары найзағайлы бұлттардың жауын-шашын құрылымын анықтауға ғана қабілетті болды, ал торнадолар мен төмен қарайтын желдердің пайда болуына себеп болатын мезоциклоникалық айналу мен желдің дивергенциясын анықтау мүмкін болмады. NSSL Доплер радары 1971 жылы қолданысқа енгізілді және 1980 жылдардың соңында NEXRAD желісінің құрылуына әкелді.

Доплер радарлары ұшақтар мен ғарыш кемелерінің навигациялық құралы ретінде қолданылды. Радар арқылы жердің қозғалысын тікелей өлшеп, одан кейін ұшақ аспаптарынан алынған жылдамдықпен салыстыру арқылы желдің жылдамдығын алғаш рет дәл анықтау мүмкін болды. Бұл мән жоғары дәлдікпен өлі есептеулер жасау үшін пайдаланылды. Мұндай жүйенің алғашқы мысалы – ағылшынның English Electric Canberra ұшағында қолданылған Green Satin радарі. Бұл жүйе өте төмен жиілікте импульстік сигнал жіберіп, бір антеннаны хабар тарату және қабылдау үшін пайдаланды. Осциллятор алынған сигналмен салыстыру үшін эталондық жиілікті сақтап тұрды. Іс жүзінде, бастапқы "бекіту" әдетте Gee радио навигациялық жүйесі арқылы жасалынды, ал Green Satin Gee-дің 350 шақырымдық қашықтығынан тыс жерлерде дәл навигацияны қамтамасыз етті. Осыған ұқсас жүйелер сол дәуірдегі көптеген ұшақтарда қолданылды және 1960 жылдары истребительдердің негізгі іздеу радарларымен біріктірілді. Допплерлік навигация 1960 жылдарға дейін коммерциялық авиацияда кеңінен қолданылды, бірақ оны инерциялық навигациялық жүйелер толығымен ығыстырды. Жабдықтарда таратушы-қабылдағыш құрылғысы, өңдеу блогы және гиростабильді антенна платформасы болды. Антенна төрт сәуле шығарып, ұшақтың бағытына сәйкес сервомеханизммен бұрылды, сол және оң антенналардан алынған Допплер эффектісін теңестіру арқылы. Синхро платформаның бұрышын ұшу кабинасына жіберіп, «қозғалыс бұрышын» көрсетті. Жер жылдамдығы алдыңғы және артқы сәулелер арасындағы Допплер эффектісі арқылы анықталды. Бұл мәліметтер ұшу кабинасындағы бір көрсеткіште көрсетілді. Кейбір ұшақтарда қосымша «Допплерлік компьютер» болды. Бұл – қозғалтқышпен айналатын, Допплер арқылы анықталған жер жылдамдығымен басқарылатын сталь шардан тұратын механикалық құрылғы. Қозғалтқыштың бұрышы «қозғалыс бұрышы» арқылы реттелді. Екі бекітілген дөңгелек, біреуі «алдынан артқа», екіншісі «солдан оңға» бағытта, трасса бойындағы және трассадан қашықтықтағы айырманы көрсету үшін санау машиналарын қозғады. Ұшақтың компасы компьютерге қосылды, осылайша су үстіндегі тік бұрышты маршруттағы екі нүкте арасындағы қалаған бағытты орнатуға болады. Бұл 21-ші ғасырдың оқырмандарына таңқаларлық көрінуі мүмкін, бірақ ол жақсы жұмыс істеді және сол кездегі басқа «өлі есептеу» әдістерінен әлдеқайда жақсы болды. Ол әдетте Loran, VOR, NDB жүйелерінен алынған позициялық түзетулермен немесе соңғы шара ретінде секстант пен хронометрмен толықтырылды. Жақсы жағдайда, бірнеше VOR немесе NDB станцияларының қабылдауында Атлантикалық мұхитты бірнеше шақырымдық қателікпен кесіп өтуге болады. Практикадағы оның негізгі кемшілігі – теңіздің жағдайы болды, өйткені тыныш теңіз радардан нашар сигнал берді, демек, Допплер өлшемдері сенімсіз болды. Бірақ Солтүстік Атлантикада мұндай жағдай сирек кездеседі.

Doppler radars were used as a navigation aid for aircraft and spacecraft. By directly measuring the movement of the ground with the radar, and then comparing this to the airspeed returned from the aircraft instruments, the wind speed could be accurately determined for the first time. This value was then used for highly accurate dead reckoning. One early example of such a system was the Green Satin radar used in the English Electric Canberra. This system sent a pulsed signal at a very low repetition rate so it could use a single antenna to transmit and receive. An oscillator held the reference frequency for comparison to the received signal. In practice, the initial "fix" was taken using a radio navigation system, normally Gee, and the Green Satin then provided accurate long distance navigation beyond Gee's 350 mile range. Similar systems were used in a number of aircraft of the era, and were combined with the main search radars of fighter designs by the 1960s. Doppler navigation was in common commercial aviation use in the 1960s until it was largely superseded by inertial navigation systems. The equipment consisted of a transmitter/receiver unit, a processing unit and a gyro stabilised antenna platform. The antenna generated four beams and was rotated by a servo mechanism to align with the aircraft's track by equalising the Doppler shift from the left and right hand antennas. A synchro transmitted the platform angle to the flight deck, thus providing a measure of 'drift angle'. The ground speed was determined from the Doppler shift between the forward and aft facing beams. These were displayed on the flight deck on single instrument. Some aircraft had an additional 'Doppler Computer'. This was a mechanical device containing a steel ball rotated by a motor whose speed was controlled by the Doppler determined ground speed. The angle of this motor was controlled by the 'drift angle'. Two fixed wheels, one 'fore and aft' the other 'left to right' drove counters to output distance along track and across track difference. The aircraft's compass was integrated into the computer so that a desired track could be set between two waypoints on an over water great circle route. It may seem surprising to 21st. century readers, but it actually worked rather well and was great improvement over other 'dead reckoning' methods available at the time. It was generally backed up with position fixes from Loran, VORs, NDBs, or as a last resort sextant and chronometer. It was possible to cross the Atlantic with an error of a couple of miles when in range of a couple of VORs or NDBs. Its major shortcoming in practice was the sea state, as a calm sea gave poor radar returns and hence unreliable Doppler measurements. But this was infrequent on the North Atlantic

Локустық навигация

Орналасуға негізделген Доплер әдістері АҚШ Әскери-теңіз күштерінің тарихи Transit спутниктік навигациялық жүйесінде де қолданылды, онда спутниктік хабар таратушылар және жердегі қабылдағыштар пайдаланылды, сондай-ақ қазіргі уақытта азаматтық Argos жүйесінде қолданылуда, ол спутниктік қабылдағыштар мен жердегі хабар таратушыларды пайдаланады. Мұндай жағдайларда жер станциялары немесе тұрақты, немесе баяу қозғалады, ал өлшенетін Доплер ығысуы жер станциясы мен жылдам қозғалатын спутник арасындағы салыстырмалы қозғалыс салдарынан туындайды. Доплер ығысуы мен қабылдау уақытының үйлесімі сол сәтте Жер бетін қиып өтетін, өлшенген ығысуға сәйкес келетін нүктелердің траекториясын құру үшін пайдаланылуы мүмкін: осы траекторияны басқа уақыттағы өлшеулерден алынған траекториялармен біріктіру арқылы жер станциясының нақты орны дәл анықталады.