Доплеровский радар и его применение в метеорологии.

Введение

Тип радиолокационного оборудования и его применение в метеорологии. Доплеровский радар – это специализированный радар, использующий эффект Доплера для определения скорости удалённых объектов. Он работает, излучая микроволновой сигнал, отражающийся от цели, и анализируя изменение частоты отражённого сигнала, вызванное движением объекта. Это изменение позволяет напрямую и с высокой точностью измерять радиальную составляющую скорости цели относительно радара. Данный термин применяется к радарным системам в различных областях, включая авиацию, радары, используемые полицией, навигацию и метеорологию.

Эффект Доплера

Эффект Допплера (или доплеровский сдвиг), названный в честь австрийского физика Кристиана Допплера, который предложил его в 1842 году, представляет собой разницу между наблюдаемой и излучаемой частотой волны для наблюдателя, движущегося относительно источника волн. Его обычно можно услышать, когда транспортное средство с включенной сиреной приближается, проезжает мимо и удаляется от наблюдателя. Принимаемая частота выше (по сравнению с излучаемой частотой) при приближении, она идентична в момент прохождения и ниже при удалении. Эта изменчивость частоты также зависит от направления движения источника волны относительно наблюдателя; она максимальна, когда источник движется непосредственно к наблюдателю или от него, и уменьшается с увеличением угла между направлением движения и направлением распространения волн, пока, когда источник движется под прямым углом к наблюдателю, сдвига не происходит. Представьте себе бейсбольного питчера, бросающего мяч каждую секунду ловцу (частота 1 мяч в секунду). Если предположить, что мячи движутся с постоянной скоростью, а питчер неподвижен, ловец ловит один мяч каждую секунду. Однако, если питчер бежит к ловцу, ловец ловит мячи чаще, поскольку расстояние между ними уменьшается (частота увеличивается). Обратное верно, если питчер удаляется от ловца. Ловец ловит мячи реже из-за движения питчера назад (частота уменьшается). Если питчер движется под углом, но с той же скоростью, то изменение частоты, с которой ловец ловит мячи, будет меньше, так как расстояние между ними меняется медленнее. С точки зрения питчера частота остается постоянной (независимо от того, бросает ли он мячи или излучает микроволны). Поскольку для электромагнитного излучения, такого как микроволны, или для звука частота обратно пропорциональна длине волны, длина волны также подвергается изменению. Таким образом, относительная разница в скорости между источником и наблюдателем является причиной возникновения эффекта Допплера.

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.

История

Допплеровские радары, как правило, имеют небольшой вес, поскольку в них отсутствует тяжелое импульсное оборудование. Связанная с этим фильтрация устраняет стационарные отражения, интегрируя сигналы в течение более длительного периода времени, что повышает дальность обнаружения при одновременном снижении мощности. Военные стали применять эти преимущества в 1940-х годах. Радар непрерывного излучения, или FM-радар, был разработан во время Второй мировой войны для самолетов ВМС США для поддержки ночных боевых операций. Большинство из них использовали УВЧ-диапазон и имели передающую антенну Яги на левом крыле и приемную антенну Яги на правом крыле. Это позволяло бомбардировщикам лететь с оптимальной скоростью при приближении к кораблям-мишеням, а также позволяло истребителям сопровождения наводить орудия на вражеские самолеты во время ночных операций. Эти стратегии были адаптированы к полуактивному радиолокационному наведению. В 1951 году Карл А. Уайли изобрел радар с синтезированной апертурой, который, хотя и отличается от традиционных доплеровских радаров, был основан на доплеровских принципах и первоначально был запатентован как "Методы и средства импульсного доплеровского радара" № 3 196 436. Современные доплеровские системы достаточно легки для мобильного наземного наблюдения, используемого пехотой и надводными кораблями. Они обнаруживают движение транспортных средств и людей для ночных и всепогодных боевых действий. Современные полицейские радары представляют собой уменьшенную и более портативную версию этих систем. Ранние доплеровские радары полагались на большие аналоговые фильтры для достижения приемлемой производительности. Аналоговые фильтры, волноводы и усилители улавливают вибрации, как микрофоны, поэтому требуется громоздкая виброизоляция. Этот дополнительный вес накладывал неприемлемые ограничения на кинематические характеристики, которые ограничивали использование самолетов ночными условиями, неблагоприятной погодой и сильными помехами до 1970-х годов. Цифровая фильтрация с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT) стала практичной с появлением современных микропроцессоров в 1970-х годах. Это было немедленно применено к когерентным импульсным радарам, где извлекалась информация о скорости. Это оказалось полезным как для метеорологических, так и для радаров управления воздушным движением. Информация о скорости предоставляла дополнительный вход для программного трекера и улучшала компьютерное отслеживание. Из-за низкой частоты повторения импульсов (PRF) большинства когерентных импульсных радаров, которая максимизирует дальность обнаружения, объем доплеровской обработки ограничен. Доплеровский процессор может обрабатывать только скорости до ±1/2 PRF радара. Это не является проблемой для метеорологических радаров. Информацию о скорости воздушных судов нельзя напрямую извлечь из радара с низкой PRF, поскольку дискретизация ограничивает измерения примерно до 160 км/ч. Специализированные радары быстро развивались, когда цифровые технологии стали легче и доступнее. Импульсные доплеровские радары сочетают в себе все преимущества большой дальности и возможности измерения высоких скоростей. Импульсные доплеровские радары используют среднюю и высокую PRF (порядка 3–30 кГц), что позволяет обнаруживать как быстродвижущиеся цели, так и измерять скорость с высоким разрешением. Обычно это одно или другое; радар, предназначенный для обнаружения целей от нуля до скорости звука, не имеет высокого разрешения по скорости, в то время как радар, предназначенный для измерений скорости с высоким разрешением, не имеет большой дальности обнаружения. Метеорологические радары являются радарами с высоким разрешением по скорости, в то время как радары ПВО имеют большую дальность обнаружения скорости, но точность измерения скорости составляет десятки узлов. Конструкции антенн для CW и FM CW изначально представляли собой отдельные передающие и приемные антенны до появления доступных микроволновых конструкций. В конце 1960-х годов начали производиться радары для контроля дорожного движения, которые использовали одну антенну. Это стало возможным благодаря использованию круговой поляризации и многопортового волноводного участка, работающего в X-диапазоне. К концу 1970-х годов это изменилось на линейную поляризацию и использование ферритовых циркуляторов как в X, так и в K-диапазонах. Импульсные доплеровские радары работают при слишком высокой PRF для использования газонаполненного переключателя передачи-приема, и большинство из них используют твердотельные устройства для защиты малошумящего усилителя приемника при включении передатчика.

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.

Приложения

Допплеровские радары используются в авиации, спутниках зондирования, системе StatCast Главной лиги бейсбола, метеорологии, радарах измерения скорости, радиологии и здравоохранении (для обнаружения падений и оценки рисков, а также в медицинских учреждениях и клиниках), и в бистатических радарах (в ракетах класса "земля-воздух").

Погода

Отчасти из-за его широкого использования телеметеорологами при прямых включениях, конкретный термин "Допплеровский радар" ошибочно стал общеупотребимым синонимом радаров, применяемых в метеорологии. Большинство современных метеорологических радаров используют импульсно-доплеровскую технику для анализа движения осадков, однако это лишь часть обработки получаемых данных. Таким образом, хотя эти радары и используют высокоспециализированную форму доплеровского радара, сам этот тип радара имеет гораздо более широкое значение и область применения. Работы по применению доплеровского принципа в метеорологических радарах имеют давнюю историю во многих странах. В июне 1958 года американские исследователи Дэвид Холмс и Роберт Смит впервые смогли обнаружить вращение торнадо с помощью мобильного радара непрерывного излучения (фотография справа). Лаборатория Нормана, впоследствии ставшая Национальной лабораторией исследования сильных штормов (NSSL), модернизировала этот радар, превратив его в импульсно-доплеровский, что позволило точнее определять местоположение отражений и увеличить его мощность.

Работы были ускорены после такого события в США, как Супервспышка 1974 года, когда 148 торнадо обрушились на тринадцать штатов. Радары, использовавшиеся в то время и работавшие только на определение отражательной способности, могли лишь фиксировать структуру осадков в грозовых облаках, но не обнаруживать мезоциклонное вращение и расхождение ветров, приводящие к формированию торнадо или порывов ветра. Допплеровский радар NSSL был введен в эксплуатацию в 1971 году и стал основой для развертывания сети NEXRAD в конце 1980-х годов.

Допплеровские радары использовались в качестве средства навигации для самолетов и космических аппаратов. Непосредственно измеряя движение земной поверхности с помощью радара и сравнивая это со скоростью воздушного судна, получаемой от приборного оборудования, впервые удалось точно определить скорость ветра. Это значение затем использовалось для высокоточного вычисления координат по пеленгу. Одним из первых примеров такой системы был радар Green Satin, применявшийся на самолете English Electric Canberra. Эта система излучала импульсный сигнал с очень низкой частотой повторения, что позволяло использовать одну антенну для передачи и приема. Генератор поддерживал опорную частоту для сравнения с принятым сигналом. На практике первоначальное определение местоположения осуществлялось с помощью радионавигационной системы, как правило, Gee, а затем Green Satin обеспечивал точную навигацию на больших расстояниях, выходящих за пределы 350-мильного радиуса действия Gee. Подобные системы использовались на ряде самолетов того времени и к 1960-м годам были объединены с основными поисковыми радарами истребителей. Допплеровская навигация широко применялась в коммерной авиации в 1960-х годах, пока ее в значительной степени не вытеснили инерциальные навигационные системы. Оборудование состояло из передатчика/приемника, вычислительного блока и гиростабилизированной антенной платформы. Антенна генерировала четыре диаграммы направленности и вращалась с помощью сервопривода для выравнивания с курсом самолета путем уравнивания доплеровского сдвига от левой и правой антенн. Синхропередатчик передавал угол платформы в кабину пилотов, тем самым предоставляя информацию об угле дрейфа. Скорость наземного движения определялась по доплеровскому сдвигу между диаграммами направленности, ориентированными вперед и назад. Эти данные отображались в кабине пилотов на едином приборе. Некоторые самолеты были оснащены дополнительным "Допплеровским вычислителем". Это было механическое устройство, содержащее стальной шар, вращаемый двигателем, скорость которого контролировалась доплеровской скоростью наземного движения. Угол наклона этого двигателя регулировался углом дрейфа. Два фиксированных колеса, одно – вдоль продольной оси, другое – поперек, приводили в действие счетчики для отображения расстояния по курсу и отклонения от курса. Компас самолета был интегрирован в вычислитель, чтобы можно было задать желаемый курс между двумя точками на ортодромии над водой. Современному читателю это может показаться удивительным, но система действительно работала довольно хорошо и была значительным улучшением по сравнению с другими методами "вычисления координат по пеленгу", доступными в то время. Обычно ее данные подтверждались определениями местоположения с помощью систем Loran, VOR, NDB или, в крайнем случае, секстанта и хронометра. При благоприятных условиях можно было пересечь Атлантику с погрешностью в несколько миль, находясь в зоне действия нескольких VOR или NDB. Основным недостатком системы на практике было состояние моря, поскольку спокойное море давало слабый радиолокационный сигнал и, следовательно, ненадежные доплеровские измерения. Однако это было редкостью в Северной Атлантике.

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

Навигация на основе локации

Методы доплеровского определения местоположения также использовались в исторической системе спутниковой навигации Transit ВМС США, с использованием спутниковых передатчиков и наземных приемников, и в настоящее время применяются в гражданской системе Argos, которая использует спутниковые приемники и наземные передатчики. В этих случаях наземные станции либо неподвижны, либо медленно перемещаются, а измеряемое доплеровское смещение вызвано относительным движением между наземной станцией и быстро движущимся спутником. Комбинация доплеровского смещения и времени приема может быть использована для построения геометрического места точек, обладающих измеренным смещением и пересекающих поверхность Земли в данный момент времени. Объединяя это геометрическое место с другими, полученными на основе измерений в другие моменты времени, можно точно определить истинное местоположение наземной станции.