多普勒测速雷达(答:多普勒雷达是什么原理?)

多普勒测速雷达
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空少问答
小课堂
第114期
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答:多普勒雷达是什么原理??

上周六,空少为大家留了1个问题,来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧!

想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问:多普勒雷达是什么原理?》~下面就让我们来看看空少的解答吧!

空少正解
上期我们讲到,多普勒雷达(Doppler radar),是一种利用多普勒效应来探测运动目标的位置和相对运动速度的雷达。除了气象探测,多普勒雷达也广泛用于军事方面,而我们老百姓熟悉的彩超、行车测速也都属于多普勒效应的应用。另外我们空间科学探测中的电离层探测也用到多普勒雷达,北京大学的高频多普勒雷达长期提供科学数据,也已经是我国子午工程科学探测的一环。可以说,多普勒雷达在科学和生活上的应用都很广泛。那么,多普勒雷达是什么原理呢?
 
多普勒气象雷达(来源:科普中国,http://www.xinhuanet.com/science/2018-01/15/136884919_15155647728251n.jpg)
 
首先,多普勒效应很多朋友都很熟悉,是波的波长会随着波源(或观察者)的运动而变化,在生活上常举的例子是迎面驶来的汽车声音尖锐、离去的汽车声音低沉。
用严谨一些术语来讲,多普勒效应指的是物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。所谓的“波”是指振动的传播,而电磁振动的传播就是电磁波。波的波长(wavelength)是指波在一个振动周期内传播的距离,频率(frequency)是单位时间内完成周期性变化的次数;在同一个均匀介质中波传播速度不变,所以它们互为反比关系,波长越长频率就越低,波长越短频率就越高。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(称为蓝移,blue shift);在运动的波源后面,会产生相反的效应,波长变得较长,频率变得较低(称为红移,red shift);波源和观测者的相对速度越高,所产生的效应越大,这就是多普勒效应。根据波红(蓝)移的程度(称为多普勒频移,Doppler Shift,也称多普勒频率),可以计算出波源循着观测方向运动的速度。我们常常使用的观测者(雷达)一般是固定不动的,那么波长(频率)的变化反映的是波源的运动速度。
 
卡通图:多普勒效应,左边的人听到警笛声波长变长、频率变小,但右边的人听到警笛声波长变短、频率变大(来源:https://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect)

 
基于多普勒效应,脉冲式的多普勒雷达(pulse-doppler radar,简称PD)发射固定频率的脉冲波对空扫描时,如遇到活动目标,回波的频率与发射波的频率出现频率差,也就是多普勒频移,根据频移的大小可测出目标对雷达的径向相对运动速度;根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线,滤除干扰杂波的谱线,可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。
但实际工作中的多普勒雷达,并不止是如此。在多普勒雷达特别是气象雷达工作时,多普勒频移产生的频率变化大约是几赫兹(Hz),但雷达发射的脉冲的频率是几百万赫兹(Hz),这种变化太小不便于观测,故多普勒天气雷达通常不是直接测量多普勒频移,而是通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度,这种脉冲位相的变化可以比较容易并且比较准确的测量。这种测速技术叫做“脉冲对处理”(Pulse-Pair Method)。
 
50年代英国最早的气象多普勒雷达,1964年还被改装成脉冲式多普勒雷达(PD)(来源:NOAA,https://www.photolib.noaa.gov/htmls/wea01227.htm)
要进行这种比较,使多普勒雷达能够提取目标回波的多普勒运动信息,就必须知道每个发射波的初相位,从而比较相继返回信号的位相。这种雷达每个脉冲在发射时的位相都是已知的,发射脉冲的频率是常数,其位相对于内部参考信号而言是相同的;当脉冲返回时,与参考信号做比较以确定位相。位相变化与目标的运动相联系,经过解算,就能知道目标的运动信息。
解算速度时,径向速度为目标运动平行于雷达径向的分量(沿着与雷达的连线方向的运动),既可以向着雷达,也可以离开雷达。径向速度总是小于或等于实际目标速度,其大小是实际速度乘以与雷达的连线方向夹角的余弦值。
 
俄罗斯航展展出的Zhuk雷达的天线,Zhuk雷达是X波段的脉冲多普勒雷达,用于对空和对地目标追踪(来源:wiki,https://en.wikipedia.org/wiki/File:MAKS-2007-Radar.jpg)
 
顺便一提,我们电离层探测中使用的高频多普勒雷达关注的是电离层电子中的扰动,探测由电离层电子浓度变化和反射高度变化引起的多普勒频移,来直观快速获取电离层扰动的参数和信息,雷达的基本原理与文中介绍的相同,而具体的技术以后有机会再详细讲。
 

留言区·精选

@ wolfer吃盒饭物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。
@Pluto初心 多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位,测速,测距等工作的雷达。所谓多普勒效应就是,当声音,光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时,观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。
感谢大家的支持,我们下期再见!

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