Hoe werkt Doppler Radar?

Een ontdekking die op verschillende manieren wordt gebruikt, is het Doppler-effect, hoewel de wetenschappelijke ontdekking op het eerste gezicht nogal onpraktisch lijkt.

Het Doppler-effect gaat helemaal over golven, de dingen die die golven produceren (bronnen) en de dingen die die golven ontvangen (waarnemers). Het zegt in feite dat als de bron en waarnemer ten opzichte van elkaar bewegen, de frequentie van de golf voor hen twee verschillend zal zijn. Dit betekent dat het een vorm van wetenschappelijke relativiteitstheorie is.

Er zijn eigenlijk twee hoofdgebieden waar dit idee is omgezet in een praktisch resultaat, en beide zijn geëindigd met het handvat van "Doppler-radar". Technisch gezien is Doppler-radar wat door politieman "radarkanonnen" wordt gebruikt om de snelheid van een motorvoertuig te bepalen. Een andere vorm is de Pulse-Doppler-radar die wordt gebruikt om de snelheid van weersneerslag te volgen, en meestal kennen mensen de term van het gebruik in deze context tijdens weerberichten.

Doppler Radar: Police Radar Gun

Doppler-radar werkt door een straal van elektromagnetische stralingsgolven, afgestemd op een precieze frequentie, naar een bewegend object te sturen. (U kunt Doppler-radar natuurlijk op een stilstaand object gebruiken, maar het is vrij oninteressant tenzij het doelwit beweegt.)

Wanneer de elektromagnetische stralingsgolf het bewegende object raakt, "stuitert" het terug naar de bron, die ook een ontvanger evenals de originele zender bevat. Aangezien de golf echter reflecteert van het bewegende object, wordt de golf verschoven zoals geschetst door het relativistische Doppler-effect.

Kortom, de golf die terugkomt in de richting van het radarkanon wordt behandeld als een geheel nieuwe golf, alsof deze zou worden uitgezonden door het doelwit waar het vanaf stuiterde. Het doel fungeert in feite als een nieuwe bron voor deze nieuwe golf. Wanneer het wordt ontvangen bij het pistool, heeft deze golf een frequentie die verschilt van de frequentie toen het oorspronkelijk naar het doel werd gestuurd.

Aangezien de elektromagnetische straling een precieze frequentie had toen deze werd uitgezonden en bij terugkeer een nieuwe frequentie heeft, kan dit worden gebruikt om de snelheid te berekenen, v, van het doelwit. 

Pulse-Doppler Radar: Weer Doppler Radar

Bij het bekijken van het weer is het dit systeem dat wervelende afbeeldingen van weerpatronen en, nog belangrijker, een gedetailleerde analyse van hun bewegingen mogelijk maakt.

Het Pulse-Doppler-radarsysteem maakt niet alleen de bepaling van de lineaire snelheid mogelijk, zoals in het geval van het radarkanon, maar maakt ook de berekening van radiale snelheden mogelijk. Het doet dit door pulsen te sturen in plaats van stralen. Door de verschuiving niet alleen in frequentie maar ook in draagcycli kan men deze radiale snelheden bepalen.

Om dit te bereiken is zorgvuldige controle van het radarsysteem vereist. Het systeem moet in een coherente staat zijn die stabiliteit van de fasen van de stralingspulsen mogelijk maakt. Een nadeel hiervan is dat er een maximale snelheid is waarboven het Pulse-Doppler-systeem de radiale snelheid niet kan meten.

Om dit te begrijpen, overweeg een situatie waarbij de meting de fase van de puls 400 graden verschuift. Wiskundig gezien is dit identiek aan een verschuiving van 40 graden, omdat het een hele cyclus heeft doorlopen (een volledige 360 ​​graden). Snelheden die dergelijke verschuivingen veroorzaken, worden de "blinde snelheid" genoemd. Het is een functie van de pulsherhalingsfrequentie van het signaal, dus door dit signaal te wijzigen, kunnen meteorologen dit tot op zekere hoogte voorkomen.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.