Spis treści:
Słysząc określenie radar Dopplera lub radar dopplerowski wiele osób kojarzy słowo “radar”, ale nie “Doppler”. Dzisiaj spróbujemy zrozumieć, jak działa taki radar i co oferuje sobą używana w powiązanych urządzeniach technologia. Zapraszamy do lektury.
Co to jest radar?
Radar to system, który pozostaje w użytku już od bardzo dawna. W podstawowym systemie radarowym wąska wiązka energii nazywana falami radiowymi jest transmitowana z anteny w krótkich długościach fali i w krótkich odstępach. Pomiędzy każdym impulsem odbiornik nasłuchuje uderzających w obiekty w atmosferze fal, które wracają do anteny (zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych). Znając czas, którego fala radiowa potrzebowała na powrót do anteny, można wyliczyć odległość od obiektu. Tej metody używają systemy radarowe wykrywające statki powietrzne. Wyświetlają je w postaci zielonych punktów wskazujących, gdzie aktualnie znajduje się ruchomy obiekt.
Czym jest efekt Dopplera?
Efekt Dopplera zachodzi, gdy źródło fali porusza się względem obserwującego. Kiedy ruchome źródło zbliża się do obserwatora, frekwencja fal odbierana przez obserwatora jest wyższa niż frekwencja źródła, natomiast gdy źródło oddala się od obserwatora, wówczas frekwencja fal jest analogicznie niższa. Ta różnica w odbiorze jest znana jako przesunięcie dopplerowskie (doppler shift).
Najlepiej wyobrazić sobie to na znanym ze szkoły przykładzie – w tym przypadku na schemacie “źródło” to pędząca na sygnale karetka pogotowia, strzałka oznacza kierunek ruchu, a “obserwator” to Ty. Słyszysz, jak dźwięk sygnału narasta, następnie osiąga trudne do zniesienia apogeum, by wreszcie stopniowo cichnąć, gdy pojazd się oddala.
Czym jest radar Dopplera (radar dopplerowski) i jak działa?
Radar dopplerowski to wyspecjalizowany radar, który wykorzystuje efekt Dopplera do uzyskania danych o prędkości obiektów znajdujących się w odległości. Odbywa się to poprzez odbijanie sygnału mikrofalowego od pożądanego celu i analizowanie, jak ruch obiektu zmienił częstotliwość sygnału powrotnego. To zróżnicowanie daje bezpośrednie i bardzo dokładne pomiary radialnej składowej prędkości celu względem radaru. Są dwa główne obszary, w których tradycyjnie wykorzystuje się radar dopplerowski. Pierwszy z nich to zmora kierowców, czyli “działa radarowe” do określania prędkości pojazdu. Radar pulsacyjno-dopplerowski służy w meteorologii do śledzenia prędkości opadów albo obserwacji przesuwania się chmur. Im większy obiekt, tym większa ilość energii jest zwracana do radaru. To daje nam na przykład możliwość “zobaczenia” kropel deszczu w atmosferze.
Radar Dopplera wysyła wiązkę fal promieniowania elektromagnetycznego z transmitera (antena TX, transmitter) o precyzyjnej frekwencji w kierunku poruszającego się obiektu. Gdy fala promieniowania elektromagnetycznego dociera do obiektu, odbija się od niego i powraca do odbiornika (antena RX, receiver) – odbicie się fali sprawia, że uzyskuje ona inną frekwencję w stosunku do pierwotnie emitowanej przez urządzenie.
Istnieją różne rodzaje radarów dopplerowskich.
- Radar o fali ciągłej (radar CW) jest rodzajem systemu radarowego, w którym znana energia radiowa o stałej częstotliwości fali ciągłej jest nadawana, a następnie odbierana od odbijających się obiektów. Poszczególne obiekty mogą być wykrywane z wykorzystaniem efektu Dopplera, który powoduje, że odbierany sygnał ma inną częstotliwość niż sygnał nadawany, co pozwala na jego wykrycie poprzez odfiltrowanie częstotliwości nadawanej.
- Radar pulsacyjno-dopplerowski to system radarowy, który określa zasięg do celu za pomocą techniki impulsowej i wykorzystuje efekt Dopplera sygnału zwrotnego do określenia prędkości obiektu docelowego. Łączy on w sobie cechy radarów impulsowych i radarów na fali ciągłej, które wcześniej były traktowane oddzielne ze względu na złożoność stosowanej elektroniki.
- Modulacja częstotliwości, FM (ang. Frequency Modulation) – kodowanie informacji w fali nośnej przez zmiany jej chwilowej częstotliwości w zależności od sygnału wejściowego, tj. jej modulację. Metoda stosowana do przesyłu sygnału radiowego w zakresie fal ultrakrótkich, stąd w mowie potocznej określenie go jako “FM”.
Radary dopplerowskie mają także historię wykorzystywania jako pomoc nawigacyjna dla samolotów i statków kosmicznych. Poprzez bezpośredni pomiar ruchu Ziemi za pomocą radaru, a następnie porównanie go z prędkością otrzymaną z przyrządów samolotu, po raz pierwszy można było dokładnie określić prędkość wiatru. Wartość ta była następnie wykorzystywana do bardzo dokładnego określania odległości. Jednym z wczesnych przykładów takiego systemu był radar Green Satin zastosowany w angielskim samolocie Electric Canberra. System ten wysyłał impulsowy sygnał o bardzo niskiej częstotliwości powtarzania, dzięki czemu mógł używać pojedynczej anteny do nadawania i odbioru.
Oscylator utrzymywał częstotliwość odniesienia dla porównania z odbieranym sygnałem. Podobne systemy były stosowane w wielu samolotach, a do lat 60-tych XX wieku były łączone z głównymi radarami poszukiwawczymi w myśliwcach.
Radary Seeedstudio
Radar Dopplera BGT24LTR11 został oparty na układzie BGT24LTR11 oraz kontrolerze XMC1302 z procesorem ARM Cortex-M0. Pozwala na dokonywanie precyzyjnych pomiarów odległości oraz wykrywania ruchu z wykorzystaniem technologii radarowej. Urządzenie do pracy wykorzystuje znane już nam fizyczne zjawisko efektu Dopplera częstotliwości fal generowanych i odbieranych przez urządzenie za pomocą anten RX oraz TX.
Moduł sprawdzi się w projektach związanych z systemami bezpieczeństwa, a na jego pracę nie wpływają czynniki takie jak wysoka temperatura, deszcz oraz gromadzący się kurz. Możemy również pracować z kompatybilnym, ulubionym Arduino. Bardziej wprawni majsterkowicze mogą dostosować moduł do własnych potrzeb – na płytce mamy do dyspozycji diody LED.
2 Responses
fajny artykuł, polecam serdecznie każdemu fanatykowi, dziedziny nauki jaką jest fizyka 😛
Fakt faktem. Super strona. Jednak fizyk bez it i elektroniki nie zdziała zbyt wiele 🙂