Радар для измерения скорости и его история

Введение

Измерительное устройство

Радарный измеритель скорости, также известный как радар, скоростемер или прибор для контроля скорости, – это устройство, используемое для измерения скорости движущихся объектов. Он обычно используется полицией для контроля скорости транспортных средств при осуществлении дорожного контроля, а в профессиональном спорте – для измерения скорости, например, бейсбольных бросков, теннисных подач и крикетных мячей. Радарный измеритель скорости представляет собой доплеровский радар, который может быть ручным, смонтированным на транспортном средстве или стационарным. Он измеряет скорость объектов, на которые направлен, путем обнаружения изменения частоты отраженного радиолокационного сигнала, вызванного эффектом Доплера, при котором частота отраженного сигнала увеличивается пропорционально скорости сближения объекта, если он приближается, и уменьшается, если он удаляется. Такие устройства часто используются для контроля соблюдения скоростного режима, хотя более современные приборы LIDAR, использующие импульсный лазерный луч вместо радара, начали заменять радарные измерители скорости в течение первого десятилетия двадцать первого века из-за ограничений, связанных с компактными радиолокационными системами.

История

Радарный пистолет был изобретен Джоном Л. Баркером-старшим и Беном Мидлоком, которые разработали радар для военных, работая в компании Automatic Signal Company (позже Automatic Signal Division of LFE Corporation) в Норвоке, штат Коннектикут, во время Второй мировой войны. Первоначально компания Grumman обратилась к Automatic Signal с просьбой решить конкретную проблему повреждения наземного шасси самолетов-амфибий Consolidated PBY Catalina. Баркер и Мидлок собрали доплеровский радарный модуль из герметично запаянных кофейных банок, использовав их в качестве микроволновых резонаторов. Устройство было установлено в конце взлетно-посадочной полосы на предприятии Grumman в Бетпейдже, штат Нью-Йорк, и направлено строго вверх для измерения вертикальной скорости снижения заходящих на посадку PBY. После войны Баркер и Мидлок испытали радар на Меритт-Паркуэй. В 1947 году система была протестирована полицией штата Коннектикут в Гластонбери, штат Коннектикут, изначально для изучения трафика и выдачи предупреждений водителям о превышении скорости. Начиная с февраля 1949 года, полиция штата стала выписывать штрафы за превышение скорости, основываясь на показаниях радарного устройства. В 1948 году радар также использовался в Гарден-Сити, штат Нью-Йорк.

Эффект Доплера

Радарные скоростемеры используют доплеровский радар для измерения скорости. Радарные скоростемеры, как и другие типы радаров, состоят из радиопередатчика и приемника. Они излучают радиосигнал в узком луче, а затем принимают тот же сигнал обратно после отражения от объекта. Благодаря явлению, известному как эффект Доплера, если объект движется к скоростемеру или от него, частота отраженных радиоволн при возврате отличается от частоты излученных волн. Когда объект приближается к радару, частота отраженных волн выше, чем частота излученных волн; когда объект удаляется, частота ниже. На основе этой разницы скоростемер может вычислить скорость объекта, от которого волны были отражены. Эта скорость определяется следующим уравнением:

где – скорость света, – излучаемая частота радиоволн, а – разница в частоте между излученными и принятыми радиоволнами. Это уравнение справедливо только при скоростях объекта, значительно меньших скорости света, но в обычных ситуациях это так, и скорость объекта прямо пропорциональна этой разнице в частоте.

Стационарный радар

После получения отраженных волн создается сигнал с частотой, равной этой разнице, путем смешивания принятого радиосигнала с небольшой частью переданного сигнала. Подобно тому, как две различные музыкальные ноты, звучащие одновременно, создают биение с частотой, равной разности их частот, так и при смешении этих двух радиосигналов возникает "биение" (называемое гетеродином). Электрическая схема затем измеряет эту частоту, используя цифровой счетчик для подсчета количества циклов за фиксированный промежуток времени, и отображает полученное число на цифровом дисплее в качестве скорости объекта. Поскольку данный тип прибора измерения скорости определяет разницу в скорости между объектом и самим прибором, для получения корректных показаний прибор должен быть неподвижен. Если измерение производится из движущегося автомобиля, то будет определяться разница в скорости между двумя транспортными средствами, а не скорость объекта относительно дороги, поэтому для работы из движущихся транспортных средств разработана другая система.

Движущаяся радар

В так называемом "движущемся радаре" антенна радара принимает отраженные сигналы как от целевого транспортного средства, так и от неподвижных объектов фона, таких как дорожное покрытие, близлежащие дорожные знаки, ограждения и столбы уличного освещения. Вместо сравнения частоты сигнала, отраженного от цели, с частотой передаваемого сигнала, он сравнивает целевой сигнал с этим фоновым сигналом. Разница частот между этими двумя сигналами определяет истинную скорость целевого транспортного средства.

Относительно конструкции

Современные радиолокационные приборы для измерения скорости обычно работают в диапазонах X, K, Ka и (в Европе) Ku. Радарные приборы, работающие в диапазоне частот X (от 8 до 12 ГГц), становятся все менее распространенными, поскольку они создают мощный и легко обнаруживаемый сигнал. Кроме того, большинство автоматических дверей используют радиоволны в диапазоне X и могут повлиять на показания полицейских радаров. В результате, диапазоны K (18–27 ГГц) и Ka (27–40 ГГц) наиболее часто используются правоохранительными органами. Некоторые водители устанавливают детекторы радаров, которые могут предупреждать их о приближении к месту контроля скорости, а микроволновые сигналы радаров также могут ухудшить качество приема радиосигналов AM и FM при настройке на слабые станции. По этим причинам портативные радары обычно оснащены кнопкой включения/выключения, и радар включается только непосредственно перед проведением измерения. Детекторы радаров запрещены в некоторых регионах.

Ограничения

Радары контроля трафика выпускаются в различных моделях. Ручные устройства в основном работают от аккумуляторов и в большинстве случаев используются как стационарные средства контроля скорости. Стационарные радары могут быть установлены в полицейских автомобилях и иметь одну или две антенны. Передвижные радары, как следует из названия, используются, когда полицейский автомобиль находится в движении и могут быть очень сложными, способными отслеживать транспортные средства, приближающиеся и удаляющиеся, как спереди, так и сзади патрульной машины, а также одновременно отслеживать несколько целей. Они также могут отслеживать самое быстрое транспортное средство в выбранном радиолокационном луче, спереди или сзади. Однако существует ряд ограничений в использовании радаров для измерения скорости. Например, требуется обучение и сертификация пользователей, чтобы оператор мог эффективно использовать оборудование, при этом обучающиеся должны последовательно визуально оценивать скорость транспортного средства с точностью до +/- 2 км/ч от фактической скорости цели, например, если фактическая скорость цели составляет 48 км/ч, то оператор должен последовательно визуально оценивать скорость цели в диапазоне от 46 до 50 км/ч. Стационарный радар должен располагаться над дорогой или сбоку от нее, поэтому пользователь должен понимать тригонометрию, чтобы точно оценить скорость транспортного средства при изменении направления, когда одно транспортное средство движется в поле зрения. Фактическая скорость транспортного средства и показания радара редко совпадают из-за так называемого эффекта косинуса, однако для всех практических целей эта разница в скорости несущественна, обычно она составляет менее 1,6 км/ч, поскольку полиция обучена располагать радар таким образом, чтобы минимизировать эту неточность, и в случае ее возникновения ошибка всегда в пользу водителя, показывая скорость ниже фактической. Кроме того, важно правильно размещать радар, чтобы избежать больших отражающих поверхностей вблизи него. Такие поверхности могут создавать многолучевой сценарий, при котором радиолокационный луч может отражаться от непреднамеренной отражающей цели и попадать на другую цель, возвращаясь и вызывая показания, которые можно спутать с контролируемым трафиком. Однако в одном из эпизодов MythBusters попытались добиться неверных показаний, изменяя поверхность проезжающего объекта, но не обнаружили значительного эффекта. Радары для измерения скорости не различают цели в транспортном потоке, и для точного контроля скорости необходима надлежащая подготовка оператора. Эта неспособность различать цели в поле зрения радара является основной причиной того, что оператор должен последовательно и точно визуально оценивать скорость целей с точностью до +/- 2 км/ч, например, если в поле зрения радара находится семь целей, и оператор может визуально оценить скорость шести из них примерно в 64 км/ч, а скорость одной из них – примерно в 88 км/ч, а радар показывает 90 км/ч, становится ясно, скорость какой цели он измеряет. При использовании передвижного радара возникает еще одно потенциальное ограничение, когда радар фиксирует скорость патрульного автомобиля на других движущихся объектах, а не на фактической скорости движения по земле. Это может произойти, если радар расположен слишком близко к крупному отражающему объекту, такому как фура. Чтобы уменьшить эту ошибку, можно использовать вторительные данные о скорости, поступающие с CAN-шины автомобиля, сигнала VSS или скорости, измеренной GPS, что позволит сравнить измеренную скорость со вторичным показателем и снизить погрешность.

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.

Размер

Основным ограничением ручных и мобильных радиолокационных устройств является размер. Диаметр антенны менее нескольких футов ограничивает направленность, которую можно лишь частично компенсировать увеличением частоты волны. Ограничения в размерах могут приводить к тому, что ручные и мобильные радиолокационные устройства выдают измерения с нескольких объектов в поле зрения пользователя. Антенна на некоторых из наиболее распространенных ручных устройств имеет диаметр всего лишь [вставить величину из оригинала]. Луч энергии, создаваемый антенной такого размера при использовании частот X-диапазона, занимает конус, простирающийся примерно на 22 градуса вокруг линии визирования, что составляет 44 градуса в общей ширине. Этот луч называется главной лепестком. Существует также боковой лепесток, простирающийся на углы от 22 до 66 градусов от линии визирования, а также другие лепестки, но боковые лепестки примерно в 20 раз (13 дБ) менее чувствительны, чем главный лепесток, хотя они способны обнаруживать движущиеся объекты поблизости. Основное поле зрения имеет ширину около 130 градусов. K-диапазон уменьшает это поле зрения примерно до 65 градусов за счет увеличения частоты волны. Ka-диапазон уменьшает его еще больше – до примерно 40 градусов. Обнаружение боковых лепестков можно подавить с помощью подавления боковых лепестков, что сужает поле зрения, но дополнительные антенны и сложная схема накладывают ограничения по размеру и стоимости, что ограничивает применение этой технологии военными, службами управления воздушным движением и метеорологическими службами. Мобильные метеорологические радары монтируются на полуприцепы для сужения луча.

Расстояние

Второе ограничение для портативных устройств заключается в том, что для обеспечения их мобильности они вынуждены использовать радиолокаторы непрерывного излучения. Измерения скорости достоверны только при известном расстоянии, на котором было произведено конкретное измерение. Для измерения расстояния требуется импульсный режим работы или использование камер, когда в поле зрения находится более одного движущегося объекта. Радиолокатор непрерывного излучения может быть направлен непосредственно на автомобиль, находящийся в 100 ярдах, но при этом измерить скорость другого автомобиля, находящегося в одной миле, если он направлен вдоль прямой дороги. Вновь возникает необходимость в обучении и сертификации операторов для последовательной и точной визуальной оценки, чтобы они могли быть уверены, скорость какого именно объекта измерил прибор, поскольку радиолокаторы непрерывного излучения не предоставляют информацию о расстоянии. Некоторые более сложные устройства могут выдавать различные измерения скорости для нескольких объектов в поле зрения. Это позволяет использовать прибор для измерения скорости с движущегося транспортного средства, где одновременно необходимо нацеливаться на движущийся и неподвижный объект, а самые совершенные модели способны отображать скорость до четырех отдельных целей при работе в движущемся режиме, что еще раз подчеркивает важность способности операторов последовательно и точно визуально оценивать скорость.

Окружающая среда

Окружающая среда и местоположение, в котором производится измерение, также могут оказывать влияние. Например, использование портативного радара для сканирования трафика на пустой дороге, стоя в тени большого дерева, может привести к ложному обнаружению движения листьев и ветвей при сильном ветре (обнаружение боковых лепестков). Также возможно незамеченное присутствие самолета в воздухе, особенно вблизи аэропорта, что вновь подчеркивает важность надлежащей подготовки оператора.

Сопутствующие камеры

Ограничения обычного радарного прибора могут быть устранены с помощью камеры, направленной по линии визирования. Камеры связаны с автоматическими системами выписки штрафов (известными в Великобритании как камеры контроля скорости), где радар используется для запуска камеры. Пороговое значение скорости радара устанавливается на уровне или выше максимально допустимой скорости транспортного средства. Радар запускает камеру для съемки нескольких фотографий, когда находящийся поблизости объект превышает эту скорость. Для определения скорости транспортного средства с использованием дорожной разметки требуется две фотографии. Это может быть надежно для дорожного движения в городских условиях, когда в поле зрения находится несколько движущихся объектов. Однако именно камера и ее данные о времени в данном случае определяют скорость конкретного транспортного средства, а радарный прибор лишь оповещает камеру о начале записи.

Более новые инструменты

Лазерные устройства, такие как прибор измерения скорости на основе LIDAR, способны производить точные измерения расстояния и скорости в обычных городских и пригородных условиях движения, без необходимости предварительной съемки местности и использования камер. Это обеспечивается благодаря тому, что направленность луча LIDAR схожа с направленностью огнестрельного оружия: луч имеет форму узкого пучка, что позволяет проводить измерения только с того объекта, на который он нацелен.