Радарлық жылдамдық өлшегіш құрал

Кіріспе

Өлшеу құрылғысы

Радарлық жылдамдық өлшегіш, сондай-ақ радар, жылдамдық өлшегіш немесе жылдамдық бақылау құрылғысы деп те аталады. Бұл құрылғы жылдам қозғалатын объектілердің жылдамдығын өлшеу үшін қолданылады. Полиция көліктердің жылдамдығын тексеру және жол жүру ережелерін сақтау мақсатында, ал кәсіби спортта бейсбол добының жылдамдығы, теннис сервісі және крикет добы сияқты жылдамдықтарды өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Радарлық жылдамдық өлшегіш – қолда ұсталатын, көлікке орнатылатын немесе стационарлық Доплерлік радар блогы. Ол Доплер эффектісі арқылы қайтарылған радар сигналының жиілігіндегі өзгерісті анықтау арқылы бағытталған объектінің жылдамдығын өлшейді. Яғни, объект жақындағанда қайтарылған сигналдың жиілігі объектінің жақындау жылдамдығына пропорционалды түрде артады, ал объект алыстағанда төмендейді. Мұндай құрылғылар көбінесе жылдамдық шектеулерін бақылау үшін қолданылады. Алайда, радар орнына импульсті лазер сәулесін пайдаланатын LIDAR жылдамдық өлшегіштері, кіші радар жүйелерімен байланысты шектеулерге байланысты жиырма бірінші ғасырдың басында радарлық жылдамдық өлшегіштерді ығыстыра бастады.

Тарих

Радарлық жылдамдық өлшегіш құралды Джон Л. Баркер аға және Бен Мидлок ойлап тапты. Олар Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Коннектикут штатының Норвок қаласындағы Автоматты сигнал компаниясында (кейіннен LFE корпорациясының Автоматты сигнал бөлімшесі) жұмыс істеген кезде әскерилер үшін радар жасады. Grumman компаниясы бастапқыда Automatic Signal компаниясына Consolidated PBY Catalina ұшағының жерге қонғандағы шассиінің зақымдану мәселесін шешу үшін жүгінді. Баркер мен Мидлок кофе банкаларынан Доплер радиолокациялық блогын жасап, микротолқынды резонаторларды құру үшін оларды дәнекерледі. Бұл құрылғы Нью-Йорктегі Бетпейдждегі Grumman ұшу-қону жолағының соңына орнатылып, қонуға дайындалып келе жатқан PBY ұшақтарының вертикалды жылдамдығын өлшеу үшін тікелей жоғары бағытталды. Соғыстан кейін Баркер мен Мидлок Мерит Парквейде радарды сынақтан өткізді. 1947 жылы Коннектикут штатының полициясы бұл жүйені сынақтан өткізді, бастапқыда трафик сараптамасы үшін және жүргізушілерге шамадан тыс жылдамдық үшін ескертулер беру үшін қолданды. 1949 жылдың ақпан айынан бастап штаттық полиция радар құрылғысында тіркелген жылдамдық негізінде айыппұл жаза бастады. 1948 жылы радар Нью-Йорк штатының Гарден-Сити қаласында да қолданылды.

Допплер эффектісі

Радарлық жылдамдық өлшегіштер жылдамдықты өлшеу үшін Доплер радиолокаторын пайдаланады. Радарлық жылдамдық өлшегіш, басқа радар түрлері сияқты, радио сигналды таратушы және қабылдағыштан тұрады. Олар тар сәуле түрінде радио сигналды жібереді, содан кейін сигнал нысанға соғылып қайтқаннан кейін оны қабылдайды. Доплер эффектісі деп аталатын құбылысқа байланысты, егер нысан өлшегішке қарай немесе одан алыстаса, кері қайтарылған радио толқындарының жиілігі жіберілген толқындардан өзгеше болады. Нысан радарға жақындағанда кері қайтарылатын толқындардың жиілігі жіберілген толқындардан артық болады; нысан алыстағанда жиілігі кеміп, төмендейді. Осы айырмашылық арқылы радарлық жылдамдық өлшегіш толқындар соғылған нысанның жылдамдығын есептей алады. Бұл жылдамдық келесі теңдеу арқылы анықталады: мұнда – жарық жылдамдығы, – радио толқындарының шығарылған жиілігі, ал – жіберілген және өлшегіш қабылдаған радио толқындары арасындағы жиілік айырмашылығы. Бұл теңдеу нысанның жылдамдығы жарық жылдамдығымен салыстырғанда төмен болған жағдайда ғана толыққанды дұрыс, бірақ күнделікті жағдайларда осылай болады және нысанның жылдамдығы жиілік айырмашылығына тура пропорционалды.

Тұрақты радар

Қайта келген толқындар қабылданғаннан кейін, қабылданған радиосигналды жіберілген сигналдың шағын бөлігімен араластыру арқылы осы айырмашылыққа тең жиілікті сигнал жасалады. Екі әртүрлі музыкалық нота бірге ойнатылғанда, олардың жиіліктерінің айырмасынан туындайтын "соққы" дыбысы пайда болатындай, осы екі радиосигнал араластырылғанда "соққы" сигналы (гетеродин деп аталады) пайда болады. Электрлік тізбек бұл жиілікті белгілі бір уақыт ішіндегі циклдар санын санайтын цифрлық санаушымен өлшейді және нәтижені цифрлық дисплейде нысананың жылдамдығы ретінде көрсетеді. Осы типтегі жылдамдық өлшегіш нысана мен өлшегіш арасындағы жылдамдық айырмасын өлшейтіндіктен, дұрыс көрсету үшін өлшегіштің қозғалмай тұруы қажет. Егер өлшеу қозғалып бара жатқан көлікте жасалса, ол екі көлік арасындағы жылдамдық айырмасын көрсетеді, жолға қатысты нысананың жылдамдығын емес, сондықтан қозғалып бара жатқан көліктерден жұмыс істеуге арналған басқа жүйе әзірленген.

Қозғалыстағы радар

"Қозғалатын радар" деп аталатын технологияда радар антеннасы нысана көлігінен де, жол төсемі, жақын жердегі жол белгілері, қоршау рельстері және көше шамдарының тіректері сияқты қозғалмайтын фондық объектілерден де шағылысқан сигналдарды қабылдайды. Нысанадан шағылысқан сигналдың жиілігін жіберілген сигналмен салыстыру орнына, ол нысана сигналды осы фондық сигналмен салыстырады. Осы екі сигналдың жиіліктерінің айырмасы нысана көлігінің нақты жылдамдығын көрсетеді.

Құрылыс мәселесі

Қазіргі заманғы радиолокациялық жылдамдық өлшегіш құралдар әдетте X, K, Ka және (Еуропада) Ku жиіліктерінде жұмыс істейді. X жиілік диапазонында (8-ден 12 ГГц-қа дейін) жұмыс істейтін радарлар аз қолданылады, себебі олар күшті және оңай анықталатын сигнал шығарады. Сонымен қатар, көптеген автоматтік есіктер X жиілік диапазонындағы радио толқындарын пайдаланады және полиция радарларының көрсеткіштеріне әсер етуі мүмкін. Осының салдарынан, полиция органдары K жиілігін (18-ден 27 ГГц-қа дейін) және Ka жиілігін (27-ден 40 ГГц-қа дейін) көбірек қолданады. Кейбір жүргізушілер жылдамдық бақылау орнатылғандығы туралы ескертетін радар детекторларын орнатады, ал радардан шыққан микротолқынды сигналдар нашар сигнал алатын AM және FM радиостанцияларын қабылдау сапасын нашарлатуы мүмкін. Осы себептерге байланысты, қолда ұсталатын радарлар көбінесе қосу/өшіру механизмімен жабдықталады және оператор өлшеу жасауға дайын болғанда ғана қосылады. Радар детекторлары кейбір аймақтарда заңсыз.

Шектеулер

Жолдық радарлар көптеген модельдерде келеді. Қолға ұсталатын құрылғылар көбінесе батареямен жұмыс істейді және көбінесе жылдамдық өлшеу құралдары ретінде қолданылады. Стационарлық радар полиция көліктеріне орнатылуы мүмкін және бір немесе екі антеннасы болуы мүмкін. Жылжымалы радар, атауынан көрініп тұрғанындай, полиция көлігі қозғалып тұрғанда қолданылады және өте күрделі болуы мүмкін, алдынан келе жатқан және артқа кетіп бара жатқан көліктерді, патрульдік көліктің алдында да, артында да, сонымен қатар бірнеше нысананы бір уақытта қадағалай алады. Бұған қоса, ол таңдалған радар сәулесіндегі ең жылдам көлікті анықтай алады, алдынан немесе артынан. Дегенмен, радарлық жылдамдық өлшегіштерді пайдалануда бірқатар шектеулер бар. Мысалы, пайдаланушыны оқыту және сертификаттау қажет, сонда ғана радар операторы жабдықты тиімді пайдалана алады, оқушылар нақты нысана жылдамдығынан +/- 2 миль/сағ дейінгі көлік жылдамдығын үнемі визуалды бағалауы керек, мысалы, егер нысананың нақты жылдамдығы 30 миль/сағ болса, оператор нысана жылдамдығын 28 және 32 миль/сағ аралығында үнемі визуалды бағалауы керек. Жолдық қозғалысты бақылаудың стационарлық радары жолдың үстінде немесе жанында орналасуы керек, сондықтан пайдаланушы көліктің жылдамдығын дұрыс бағалау үшін тригонометрияны түсінуі керек, өйткені бір көлік көру аяғында қозғалғанда бағыт өзгереді. Көліктің нақты жылдамдығы мен радарлық өлшеулер көбінесе косинус эффектісі деп аталатын нәрсеге байланысты сәйкес келмейді, алайда, барлық жағдайларда бұл айырмашылық маңызды емес, әдетте 1 миль/сағ-тан кем болады, себебі полиция радарды осы қателікті азайту үшін орналастыруға үйретілген, ал қателік болған жағдайда ол әрқашан жүргізушінің пайдасына болады, яғни нақты жылдамдықтан төмен көрсетіледі. Сонымен қатар, радардың орналасуы да маңызды, себебі радардың жанында үлкен жарық шағылыстыратын беттердің болуын болдырмау керек. Мұндай жарық шағылыстыратын беттер радар сәулесін жоспарланбаған нысанадан шағылыстырып, басқа нысанаға түсіріп, қайта оралуы мүмкін, осылайша бақыланатын қозғалыс үшін шатастыратын оқуды тудыратын көп жолды сценарий жасалуы мүмкін. Алайда, MythBusters бағдарламасы өткен объектінің бетін өзгерту арқылы қарудың дұрыс емес оқуларды көрсетуіне тырысып, маңызды әсерін таппады. Радарлық жылдамдық өлшегіштер жолдағы нысаналарды ажырата алмайды, сондықтан жылдамдықты дәл өлшеу үшін операторларды оқыту өте маңызды. Радардың көру аяғындағы нысаналарды ажырата алмауы оператордың нысана жылдамдығын +/- 2 миль/сағ-тың ішінде үнемі және дәл визуалды бағалауын қажет етуінің басты себебі болып табылады, мысалы, егер радардың көру аяғында жеті нысана болса және оператор осы нысаналардың алтауының жылдамдығын шамамен 40 миль/сағ, ал біреуінің жылдамдығын шамамен 55 миль/сағ деп визуалды бағаласа, ал радар бірлігі 56 миль/сағ көрсетсе, бірлік қай нысананың жылдамдығын өлшеп тұрғаны анық болады. Жылжымалы радарды пайдалану кезінде тағы бір мүмкін шектеу пайда болады, егер радардың патрульдік жылдамдығы нақты жер жылдамдығы емес, басқа қозғалмалы нысаналарға бекініп қалса. Бұл радардың орны трактор тіркемесі сияқты үлкен жарық шағылыстыратын нысанаға тым жақын болса, болуы мүмкін. Бұл мәселені шешу үшін көліктің CAN шинасынан, VSS сигналынан немесе GPS арқылы өлшенген жылдамдықтан алынған қосымша жылдамдық деректерін пайдалану қателерді азайтуға көмектеседі, өлшенген жылдамдықпен салыстыру үшін екінші жылдамдық беру арқылы.

Traffic radar comes in many models. Hand held units are mostly battery powered, and for the most part are used as stationary speed enforcement tools. Stationary radar can be mounted in police vehicles and may have one or two antennae. Moving radar is employed, as the name implies, when a police vehicle is in motion and can be very sophisticated, able to track vehicles approaching and receding, both in front of and behind the patrol vehicle and also able to track multiple targets at once. It can also track the fastest vehicle in the selected radar beam, front or rear. However, there are a number of limitations to the use of radar speed guns. For example, user training and certification are required so that a radar operator can use the equipment effectively, with trainees being required to consistently visually estimate vehicle speed within +/ 2 mph of actual target speed, for example if the target's actual speed is 30 mph then the operator must be able to consistently visually estimate the target speed as falling between 28 and 32 mph. Stationary traffic enforcement radar must occupy a location above or to the side of the road, so the user must understand trigonometry to accurately estimate vehicle speed as the direction changes while a single vehicle moves within the field of view. Actual vehicle speed and radar measurement thus are rarely the same due to what is known as the cosine effect, however, for all practical purposes this difference in actual speed and measured speed is inconsequential, generally being less than 1 mph difference, as police are trained to position the radar to minimize this inaccuracy and when present the error is always in the favor of the driver reporting a lower than actual speed. Additionally, the placement of the radar can be important as well to avoid large reflective surfaces near the radar. Such reflective surfaces can create a multi path scenario where the radar beam can be reflected off of the unintended reflective target and find another target and return thereby causing a reading that can be confused for the traffic being monitored. However, MythBusters did an episode on trying to get the gun to have incorrect readings by changing the surface of the passing object and found no significant effect. Radar speed guns do not differentiate between targets in traffic, and proper operator training is essential for accurate speed enforcement. This inability to differentiate among targets in the radar's field of view is the primary reason for the operator being required to consistently and accurately visually estimate target speeds to within +/ 2 mph, so that, for example if there are seven targets in the radar's field of view and the operator is able to visually estimate the speed of six of those targets as approximately 40 mph and visually estimate the speed of one of those targets as approximately 55 mph and the radar unit is displaying a reading of 56 mph it becomes clear which target's speed the unit is measuring. In moving radar operation, another potential limitation occurs when the radar's patrol speed locks onto other moving targets rather than the actual ground speed. This can occur if the position of the radar is too close to a larger reflective target such as a tractor trailer. To help alleviate this the use of secondary speed inputs from the vehicle's CAN bus, VSS signal, or the use of a GPS measured speed can help to reduce errors by giving a secondary speed to compare the measured speed against.

Өлшемі

Қолмен ұсталатын және жылжымалы радар құрылғыларының басты шектеуі – олардың өлшемі. Антенна диаметрі бірнеше футтан кем болса, бағыттылығы шектеледі, бұл толқын жиілігін арттыру арқылы ішінара өтеуге болады. Өлшемі шектеулі болғандықтан, қолмен ұсталатын және жылжымалы радар құрылғылары пайдаланушының көру аясындағы бірнеше нысандардан өлшемдер алуы мүмкін. Көпте қолданылатын қолмен ұсталатын құрылғылардың антеннасының диаметрі тек ... құрайды. Осы өлшемдегі X-диапазоны жиілігін пайдаланатын антеннадан шығатын энергия шоғы көз алдындағы түзу сызықтың айналасында 22 градусқа дейін, жалпы ені 44 градусқа дейін созылатын конус пішіндес болады. Бұл шоқ негізгі сәуле деп аталады. Сонымен қатар, көріну сызығынан 22-66 градусқа дейін созылатын жанама сәулелер және басқа да сәулелер бар, бірақ жанама сәулелер негізгі сәуледен шамамен 20 есе (13 дБ) аз сезімтал, бірақ олар жақын жердегі қозғалатын нысандарды анықтай алады. Басты көру өрісі шамамен 130 градусқа жетеді. K-диапазоны толқын жиілігін арттыру арқылы бұл көру өрісін шамамен 65 градусқа дейін азайтады. Ka-диапазоны оны шамамен 40 градусқа дейін тарылтады. Жанама сәулелерді анықтауды жою үшін жанама сәулелерді жою технологиясын қолдануға болады, бұл көру өрісін тарылтады, бірақ қосымша антенналар мен күрделі схемалар өлшем мен баға бойынша шектеулерді тудырады, сондықтан бұл технология әскери, әуе қозғалысын бақылау және ауа райы қызметтері үшін ғана қолданылады. Жылжымалы ауа райы радары шоқты тарылту үшін жартылай тіркемелік жүк көліктеріне орнатылады.

Қашықтық

Қолмен ұсталатын құрылғылардың екінші шектеуі – олардың жылжымалы болуы үшін жеңіл болуы керек болғандықтан, үздіксіз толқындық радарды пайдалану қажеттігі. Жылдамдық өлшемдері тек қана белгілі бір өлшеу тіркелген қашықтық белгілі болғанда ғана сенімді болады. Егер көріс аясына бірнеше жылжымалы нысан кірсе, қашықтықты өлшеу үшін импульстік режимде жұмыс істеу немесе камералар қажет. Үздіксіз толқындық радар 100 ярдтық қашықтықтағы көлікке тікелей бағытталған болса да, тік жол бойында бағытталғанда 1 миль қашықтықтағы екінші көліктің жылдамдығын өлшеуі мүмкін. Қайтадан, үздіксіз толқындық радарда қолжетімсіз қашықтық туралы ақпарат болмаған жағдайда, операторлар құрылғының қай нысанның жылдамдығын өлшегенін анықтай алуы үшін, дәйекті және дәл визуалды бағалауға қатысты оқыту және сертификаттау талабына жүгіну қажет. Кейбір жетілдірілген құрылғылар көріс аясындағы бірнеше нысаннан әртүрлі жылдамдық өлшемдерін шығара алады. Бұл жылдамдық өлшеу құралын жылдам қозғалатын көлікте пайдалануға мүмкіндік береді, онда жылжымалы және тұрған нысанға бір мезгілде бағытталуы керек. Ең жетілдірілген құрылғылардың кейбіреулері қозғалыс режимінде жұмыс істегенде төрт бөлек нысанның жылдамдығын көрсетуге қабілетті, бұл операторлардың жылдамдықты үнемі және дәл визуалды бағалау қабілетінің маңыздылығын тағы да көрсетеді.

Қоршаған орта

Өлшем жүргізілетін орта және жергілікті жағдай да әсер ете алады. Мысалы, үлкен ағаштың көлеңкесінде тұрып, бос жолдағы көліктерді қолмен ұсталатын радармен сканерлеу кезінде, қатты жел болса, жапырақтар мен бұтақтардың қозғалысын анықтау қаупі туындауы мүмкін (жанама сәулелердің анықталуы). Әсіресе жақын жерде әуежай болса, жоғарыда ұшақ байқаусыз қалуы мүмкін, бұл оператордың тиісті оқытылуының маңыздылығын одан да күшейтеді.

Қатысқан камералар

Көбінесе радардың шектеулерін көру сызығы бойынша бағытталған камерамен түзетуге болады. Камералар автоматты айып салу жүйелерімен (Ұлыбританияда жылдамдық камералары деп белгілі) байланысты, онда радар камераны іске қосу үшін пайдаланылады. Радар жылдамдығының шегі көліктің заңмен белгіленген максималды жылдамдығына тең немесе одан жоғары болады. Радар жақын маңдағы объект осы жылдамдықтан асып түскенде бірнеше сурет түсіруге камераны қосады. Көліктің жылдамдығын анықтау үшін жол белгілерін пайдаланып екі сурет қажет. Бұл қалалық аймақтардағы қозғалыс үшін, егер көріс бұрышында бірнеше жылжымалы объект болса, сенімді болуы мүмкін. Дегенмен, осы жағдайда жеке көліктің жылдамдығын анықтайтын камера мен оның уақыт туралы мәліметтері, ал радар камераға жазба жасауды бастау туралы сигнал береді.

Жаңа құралдар

Лазерлік құрылғылар, мысалы, LIDAR жылдамдық өлшегіші, қалалық және қала маңындағы көлік ағынының қалыпты жағдайында, жерді зерттеу және камераларсыз қашықтық пен жылдамдық өлшеуді сенімді түрде жүзеге асыра алады. Бұл қаладағы көлік қозғалысында сенімділікпен қолданылады, себебі LIDAR-дың бағыттылығы дәл ату қаруына ұқсас – сәулесі қарындаш тәрізді тар болып, тек нысанаға бағытталған нысандардан ғана өлшеу жүргізеді.