Un radar Doppler es un radar especializado que utiliza el efecto Doppler para producir datos de velocidad sobre objetos a distancia. [1] Lo hace haciendo rebotar una señal de microondas en un objetivo deseado y analizando cómo el movimiento del objeto ha alterado la frecuencia de la señal devuelta. Esta variación proporciona mediciones directas y muy precisas del componente radial de la velocidad de un objetivo en relación con el radar. El término se aplica a los sistemas de radar en muchos ámbitos como la aviación, los detectores de radar de la policía, la navegación, la meteorología, etc.
El efecto Doppler (o desplazamiento Doppler), llamado así en honor al físico austriaco Christian Doppler , quien lo propuso en 1842, es la diferencia entre la frecuencia observada y la frecuencia emitida de una onda para un observador que se mueve con respecto a la fuente de las ondas. Se escucha comúnmente cuando un vehículo que hace sonar una sirena se acerca, pasa y se aleja de un observador. La frecuencia recibida es mayor (en comparación con la frecuencia emitida) durante la aproximación, es idéntica en el instante del paso y es menor durante la recesión. Esta variación de frecuencia también depende de la dirección en la que se mueve la fuente de onda con respecto al observador; es máximo cuando la fuente se mueve directamente hacia o alejándose del observador y disminuye al aumentar el ángulo entre la dirección del movimiento y la dirección de las ondas, hasta que cuando la fuente se mueve en ángulo recto con respecto al observador, no hay cambio.
Imagine un lanzador de béisbol lanzando una pelota cada segundo a un receptor (una frecuencia de 1 pelota por segundo). Suponiendo que las bolas viajan a velocidad constante y el lanzador está estacionario, el receptor atrapa una bola cada segundo. Sin embargo, si el lanzador corre hacia el receptor, el receptor atrapa las bolas con más frecuencia porque las bolas están menos espaciadas (la frecuencia aumenta). Lo contrario es cierto si el lanzador se aleja del receptor. El receptor atrapa las bolas con menos frecuencia debido al movimiento hacia atrás del lanzador (la frecuencia disminuye). Si el lanzador se mueve en ángulo, pero a la misma velocidad, la variación de frecuencia con la que el receptor atrapa las bolas es menor, ya que la distancia entre ambas cambia más lentamente.
Desde el punto de vista del lanzador, la frecuencia permanece constante (ya sea que esté lanzando pelotas o transmitiendo microondas). Dado que en la radiación electromagnética como las microondas o el sonido, la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, la longitud de onda de las ondas también se ve afectada. Por tanto, la diferencia relativa de velocidad entre una fuente y un observador es lo que da lugar al efecto Doppler. [2]
La fórmula para el desplazamiento Doppler del radar es la misma que para el reflejo de la luz en un espejo en movimiento. [3] No es necesario invocar la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein , porque todas las observaciones se realizan en el mismo marco de referencia. [4] El resultado obtenido con c como la velocidad de la luz y v como la velocidad radial objetivo da la frecuencia desplazada ( ) en función de la frecuencia original ( ):
lo que simplifica a
La "frecuencia de latido", (frecuencia Doppler) ( ), es así: [5]
Dado que para la mayoría de las aplicaciones prácticas del radar, entonces . Entonces podemos escribir:
Hay cuatro formas de producir el efecto Doppler. Los radares pueden ser:
Doppler permite el uso de filtros receptores de banda estrecha que reducen o eliminan señales de objetos estacionarios y de movimiento lento. Esto elimina eficazmente las señales falsas producidas por árboles, nubes, insectos, pájaros, viento y otras influencias ambientales, pero varios dispositivos de radar Doppler portátiles y económicos que no lo utilizan pueden producir mediciones erróneas.
El radar Doppler CW solo proporciona una salida de velocidad cuando la señal recibida del objetivo se compara en frecuencia con la señal original. Los primeros radares Doppler incluían CW, pero rápidamente llevaron al desarrollo del radar de onda continua de frecuencia modulada ( FMCW ), que barre la frecuencia del transmisor para codificar y determinar el alcance.
Con la llegada de las técnicas digitales, los radares Doppler de pulso (PD) se volvieron lo suficientemente livianos para su uso en aviones y los procesadores Doppler para radares de pulso coherente se hicieron más comunes. Eso proporciona capacidad de mirar hacia abajo/derribar . La ventaja de combinar el procesamiento Doppler con radares de pulso es proporcionar información precisa sobre la velocidad. Esta velocidad se llama rango-tasa . Describe la velocidad a la que un objetivo se acerca o se aleja del radar. Un objetivo sin rango de alcance refleja una frecuencia cercana a la frecuencia del transmisor y no se puede detectar. El objetivo Doppler cero clásico es aquel que se encuentra en un rumbo tangencial al haz de la antena del radar. Básicamente, cualquier objetivo que se dirija 90 grados en relación con el haz de la antena no puede ser detectado por su velocidad (sólo por su reflectividad convencional ).
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) ha investigado las formas de onda de banda ultraancha como un enfoque potencial para el procesamiento Doppler debido a su baja potencia promedio, alta resolución y capacidad de penetración de objetos. Mientras se investigaba la viabilidad de si la tecnología de radar UWB puede incorporar procesamiento Doppler para estimar la velocidad de un objetivo en movimiento cuando la plataforma está estacionaria, un informe de la ARL de 2013 destacó problemas relacionados con la migración del alcance del objetivo. [6] Sin embargo, los investigadores han sugerido que estos problemas pueden aliviarse si se utiliza el filtro adecuado correcto. [7]
En aplicaciones militares aerotransportadas, el efecto Doppler tiene dos ventajas principales. En primer lugar, el radar es más resistente a las contramedidas. Las señales de retorno del clima, el terreno y las contramedidas, como la paja, se filtran antes de la detección, lo que reduce la carga de la computadora y del operador en entornos hostiles. En segundo lugar, contra un objetivo de baja altitud, filtrar según la velocidad radial es una forma muy eficaz de eliminar el desorden del terreno que siempre tiene una velocidad nula. Un avión militar de vuelo bajo con alerta de contramedida para la adquisición de seguimiento de radar hostil puede girar perpendicular al radar hostil para anular su frecuencia Doppler, lo que generalmente rompe el bloqueo y apaga el radar escondiéndose contra el retorno al suelo, que es mucho más grande.
El radar Doppler tiende a ser liviano porque elimina el hardware de pulso pesado. El filtrado asociado elimina los reflejos estacionarios al tiempo que integra las señales durante un período de tiempo más largo, lo que mejora el rendimiento del alcance y reduce la potencia. Los militares aplicaron estas ventajas durante la década de 1940.
El radar de transmisión continua, o FM, se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para aviones de la Armada de los Estados Unidos , para apoyar las operaciones de combate nocturno. La mayoría usaba el espectro UHF y tenía una antena Yagi de transmisión en el ala de babor y una antena Yagi receptora en el ala de estribor . Esto permitió a los bombarderos volar a una velocidad óptima al acercarse a objetivos de barcos y permitir que los aviones de combate de escolta apuntaran con armas a los aviones enemigos durante las operaciones nocturnas. Estas estrategias se adaptaron a la localización por radar semiactiva .
En 1951, Carl A. Wiley inventó el radar de apertura sintética que, aunque distinto del radar Doppler convencional, se basaba en los principios del Doppler y originalmente se patentó como "Métodos y medios del radar Doppler pulsado", número 3.196.436.
Los sistemas Doppler modernos son lo suficientemente livianos para la vigilancia terrestre móvil asociada con barcos de infantería y de superficie. Estos detectan el movimiento de vehículos y personal para operaciones de combate nocturnas y en cualquier clima. Los radares policiales modernos son una versión más pequeña y portátil de estos sistemas. [8] [9]
Los primeros equipos de radar Doppler se basaban en grandes filtros analógicos para lograr un rendimiento aceptable. Los filtros analógicos, las guías de ondas y los amplificadores captan las vibraciones como los micrófonos, por lo que se requiere una voluminosa amortiguación de las vibraciones. Ese peso adicional impuso limitaciones de rendimiento cinemático inaceptables que restringieron el uso de los aviones a operaciones nocturnas, condiciones climáticas adversas y entornos de interferencia intensa hasta la década de 1970.
El filtrado digital por transformada rápida de Fourier (FFT) se volvió práctico cuando los microprocesadores modernos estuvieron disponibles durante la década de 1970. Éste se conectó inmediatamente a radares de impulsos coherentes, de donde se extrajo información sobre la velocidad. Esto resultó útil tanto en radares meteorológicos como de control de tráfico aéreo . La información de velocidad proporcionó otra entrada al software de seguimiento y mejoró el seguimiento por computadora. Debido a la baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de la mayoría de los radares de pulsos coherentes, que maximiza la cobertura en el rango, la cantidad de procesamiento Doppler es limitada. El procesador Doppler sólo puede procesar velocidades de hasta ±1/2 de la PRF del radar. Esto no es un problema para los radares meteorológicos. La información de velocidad de las aeronaves no se puede extraer directamente del radar de baja PRF porque el muestreo restringe las mediciones a aproximadamente 75 millas por hora.
Los radares especializados se desarrollaron rápidamente cuando las técnicas digitales se volvieron más ligeras y asequibles. Los radares Pulse-Doppler combinan todos los beneficios de la capacidad de largo alcance y alta velocidad. Los radares Pulse-Doppler utilizan una PRF de media a alta (del orden de 3 a 30 kHz), lo que permite la detección de objetivos de alta velocidad o mediciones de velocidad de alta resolución. Normalmente es uno u otro; un radar diseñado para detectar objetivos desde cero hasta Mach 2 no tiene una alta resolución en velocidad, mientras que un radar diseñado para mediciones de velocidad de alta resolución no tiene una amplia gama de velocidades. Los radares meteorológicos son radares de velocidad de alta resolución, mientras que los radares de defensa aérea tienen un amplio rango de detección de velocidad, pero la precisión de la velocidad es de decenas de nudos .
Los diseños de antenas para CW y FM-CW comenzaron como antenas de transmisión y recepción independientes antes de la llegada de diseños de microondas asequibles. A finales de la década de 1960 se empezaron a producir radares de tráfico que utilizaban una única antena. Esto fue posible gracias al uso de polarización circular y una sección de guía de ondas multipuerto que opera en la banda X. A finales de la década de 1970, esto cambió hacia la polarización lineal y el uso de circuladores de ferrita en las bandas X y K. Los radares PD operan a una PRF demasiado alta para usar un interruptor de transmisión-recepción lleno de gas, y la mayoría usa dispositivos de estado sólido para proteger el amplificador de bajo ruido del receptor cuando se activa el transmisor.
Los radares Doppler se utilizan en aviación , satélites de sondeo, sistema StatCast de la Liga Mayor de Béisbol , meteorología , pistolas de radar , [10] radiología y atención sanitaria (detección de caídas [11] y evaluación de riesgos, fines de enfermería o clínica [12] ), y biestáticos. radar ( misiles tierra-aire ). También se propuso un sistema de detección de termitas . [13] [ ¿ peso excesivo? ]
En parte debido a su uso común por parte de los meteorólogos de televisión en los informes meteorológicos en directo, el término específico " radar Doppler " se ha convertido erróneamente en sinónimo popular del tipo de radar utilizado en meteorología. La mayoría de los radares meteorológicos modernos utilizan la técnica Doppler de pulso para examinar el movimiento de las precipitaciones , pero es sólo una parte del procesamiento de sus datos. [14] [15] Entonces, si bien estos radares utilizan una forma altamente especializada de radar Doppler , este tipo de radar es mucho más amplio en su significado y aplicaciones.
El trabajo sobre la función Doppler para radares meteorológicos tiene una larga historia en muchos países. En junio de 1958, los investigadores estadounidenses David Holmes y Robert Smith pudieron detectar la rotación de un tornado utilizando un radar móvil de onda continua (foto de la derecha). El laboratorio de Norman, que luego se convirtió en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas (NSSL), modificó este radar para convertirlo en un radar Doppler pulsado que permitiera conocer más fácilmente la posición de los ecos y tuviera una mayor potencia [16]
El trabajo se aceleró después de un evento en los Estados Unidos como el Súper Brote de 1974, cuando 148 tornados arrasaron trece estados. El radar exclusivo de reflectividad de la época sólo podía localizar la estructura de precipitación de las nubes de tormenta, pero no la rotación mesociclónica y la divergencia de los vientos que conducen al desarrollo de tornados o ráfagas . El NSSL Doppler entró en funcionamiento en 1971 y dio lugar al despliegue de la red NEXRAD a finales de los años 1980. [17]
Los radares Doppler se utilizaron como ayuda a la navegación para aviones y naves espaciales. Al medir directamente el movimiento del suelo con el radar y luego compararlo con la velocidad del aire obtenida por los instrumentos de la aeronave, se pudo determinar con precisión la velocidad del viento por primera vez. Este valor se utilizó luego para una navegación a estima de alta precisión . Un ejemplo temprano de tal sistema fue el radar Green Satin utilizado en el English Electric Canberra . Este sistema enviaba una señal pulsada con una tasa de repetición muy baja por lo que podía utilizar una única antena para transmitir y recibir. Un oscilador mantenía la frecuencia de referencia para compararla con la señal recibida. En la práctica, la "solución" inicial se tomó utilizando un sistema de navegación por radio , normalmente Gee , y el Green Satin proporcionó una navegación precisa de larga distancia más allá del alcance de 350 millas de Gee. Sistemas similares se utilizaron en varios aviones de la época [18] y en la década de 1960 se combinaron con los principales radares de búsqueda de diseños de cazas.
La navegación Doppler era de uso común en la aviación comercial en la década de 1960 hasta que fue reemplazada en gran medida por los sistemas de navegación inercial . El equipo constaba de una unidad transmisora/receptora, una unidad de procesamiento y una plataforma de antena giroestabilizada. La antena generó cuatro haces y fue rotada por un servomecanismo para alinearse con la trayectoria del avión ecualizar el desplazamiento Doppler de las antenas izquierda y derecha. Un sincronizador transmitía el ángulo de la plataforma a la cabina de vuelo, proporcionando así una medida del "ángulo de deriva". La velocidad de avance se determinó a partir del desplazamiento Doppler entre las vigas orientadas hacia adelante y hacia atrás. Estos se exhibieron en la cabina de vuelo con un solo instrumento. [ cita necesaria ] Algunos aviones tenían una 'computadora Doppler' adicional. Se trataba de un dispositivo mecánico que contenía una bola de acero que hacía girar mediante un motor cuya velocidad estaba controlada por el Doppler determinado por la velocidad de avance. El ángulo de este motor estaba controlado por el "ángulo de deriva". Dos ruedas fijas, una "de adelante hacia atrás" y la otra "de izquierda a derecha", conducían los contadores a la distancia de salida a lo largo de la vía y a través de la diferencia de vía. La brújula del avión se integró en la computadora para poder establecer la ruta deseada entre dos puntos de referencia en una ruta de gran círculo sobre el agua. A 21 le puede parecer sorprendente. lectores del siglo XIX, pero en realidad funcionó bastante bien y supuso una gran mejora con respecto a otros métodos de "estimación" disponibles en ese momento. Por lo general, estaba respaldado con correcciones de posición de Loran , VOR , NDB o, como último recurso, sextante y cronómetro. Fue posible cruzar el Atlántico con un error de un par de millas cuando estaba dentro del alcance de un par de VOR o NDB. Su principal defecto en la práctica fue el estado del mar, ya que un mar en calma daba malos resultados de radar y, por tanto, mediciones Doppler poco fiables. Pero esto fue poco frecuente en el Atlántico norte [ cita necesaria ]
Las técnicas Doppler basadas en la ubicación también se utilizaron en el histórico sistema de navegación por satélite Transit de la Marina de los EE. UU. , con transmisores satelitales y receptores terrestres, y actualmente se utilizan en el sistema civil Argos , que utiliza receptores satelitales y transmisores terrestres. En estos casos, las estaciones terrestres están estacionarias o se mueven lentamente, y el desplazamiento Doppler que se mide es causado por el movimiento relativo entre la estación terrestre y el satélite de movimiento rápido. La combinación de desplazamiento Doppler y tiempo de recepción se puede utilizar para generar un lugar geométrico de ubicaciones que tendrían el desplazamiento medido en la intersección con la superficie de la Tierra en ese momento: al combinar esto con otros lugares geométricos de mediciones en otros momentos, la verdadera ubicación del La estación terrestre se puede determinar con precisión. [ cita necesaria ]
