Radar Doppler

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 sistemas de radar en muchos dominios como la aviación, los detectores de radar de la policía , la navegación , la meteorología , etc.

El efecto Doppler (o efecto Doppler), llamado así por el físico austríaco 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 en relación con 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 más alta (en comparación con la frecuencia emitida) durante la aproximación, es idéntica en el instante de pasar y es más baja durante la alejamiento. Esta variación de frecuencia también depende de la dirección en la que se mueve la fuente de la onda con respecto al observador; es máxima cuando la fuente se mueve directamente hacia o desde el 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 el observador, no hay cambio.

Imaginemos que un lanzador de béisbol lanza una pelota cada segundo a un receptor (una frecuencia de una pelota por segundo). Suponiendo que las pelotas viajan a una velocidad constante y que el lanzador está parado, el receptor atrapa una pelota cada segundo. Sin embargo, si el lanzador trota hacia el receptor, este atrapa las pelotas con más frecuencia porque las pelotas están menos espaciadas (la frecuencia aumenta). Lo inverso es cierto si el lanzador se aleja del receptor. El receptor atrapa las pelotas con menos frecuencia debido al movimiento hacia atrás del lanzador (la frecuencia disminuye). Si el lanzador se mueve en un ángulo, pero a la misma velocidad, la variación de frecuencia a la que el receptor atrapa las pelotas es menor, ya que la distancia entre los dos cambia más lentamente.

Desde el punto de vista del lanzador, la frecuencia permanece constante (tanto si está lanzando pelotas como si está transmitiendo microondas). Como en el caso de las radiaciones electromagnéticas, 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 la de la reflexión de la luz por un espejo en movimiento. ^[3] No hay necesidad de 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 derivado con c como la velocidad de la luz y v como la velocidad radial del objetivo da la frecuencia desplazada ( ) como una función de la frecuencia original ( ):$estilo de visualización f_ {r}}$$estilo de visualización f_ {t}}$

${\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {1+v/c}{1-v/c}}\right)}$

Lo cual se simplifica a

${\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {c+v}{cv}}\right)}$

La "frecuencia de batido", (frecuencia Doppler) ( ), es por tanto: ^[5]$estilo de visualización f_ {d}$

${\displaystyle f_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{\frac {f_{t}}{(cv)}}}$

Dado que para la mayoría de las aplicaciones prácticas del radar, , entonces . Podemos escribir:${\displaystyle v\ll c}$${\displaystyle \left(cv\right)\rightarrow c}$

${\displaystyle f_{d}\approx 2v{\frac {f_{t}}{c}}}$

Existen cuatro formas de producir el efecto Doppler. Los radares pueden ser:

• Pulsado coherente (CP),
• Radar de pulso Doppler ,
• Onda continua (CW), o
• Modulación de frecuencia (FM).

El Doppler permite el uso de filtros de banda estrecha en el receptor que reducen o eliminan las señales de objetos estacionarios y de movimiento lento. Esto elimina de manera eficaz 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 utilizan esto pueden producir mediciones erróneas.

El radar Doppler CW solo proporciona una salida de velocidad a medida que la señal recibida del objetivo se compara en frecuencia con la señal original. Los primeros radares Doppler incluían CW, pero estos rápidamente llevaron al desarrollo del radar de onda continua modulada en frecuencia ( FMCW ), que barre la frecuencia del transmisor para codificar y determinar el alcance.

Con la llegada de las técnicas digitales, los radares de pulso Doppler (PD) se volvieron lo suficientemente livianos para su uso en aeronaves y los procesadores Doppler para radares de pulso coherente se volvieron más comunes. Eso proporciona la capacidad de mirar hacia abajo/derribar hacia abajo . La ventaja de combinar el procesamiento Doppler con los radares de pulso es proporcionar información precisa sobre la velocidad. Esta velocidad se llama tasa de alcance . Describe la velocidad a la que un objetivo se mueve hacia o desde el radar. Un objetivo sin tasa de alcance refleja una frecuencia cercana a la frecuencia del transmisor y no puede detectarse. El objetivo clásico de Doppler cero es uno que está en un rumbo tangente 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 detectarse por su velocidad (solo por su reflectividad convencional ).

El Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARL) ha investigado las formas de onda de banda ultraancha como un posible enfoque 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 el procesamiento Doppler para estimar la velocidad de un objetivo en movimiento cuando la plataforma está estacionaria, un informe del ARL de 2013 destacó problemas relacionados con la migración del rango del objetivo. ^[6] Sin embargo, los investigadores han sugerido que estos problemas se pueden aliviar si se utiliza el filtro adecuado. ^[7]

En aplicaciones militares aerotransportadas, el efecto Doppler tiene dos ventajas principales. En primer lugar, el radar es más robusto frente a las contramedidas. Las señales de retorno procedentes del clima, el terreno y las contramedidas, como el pajar, se filtran antes de la detección, lo que reduce la carga de trabajo del ordenador y del operador en entornos hostiles. En segundo lugar, frente a un objetivo de baja altitud, el filtrado por velocidad radial es una forma muy eficaz de eliminar el ruido del terreno , que siempre tiene una velocidad nula. Un avión militar que vuela a baja altura con alerta de contramedidas para la adquisición de la pista del radar hostil puede girar perpendicularmente al radar hostil para anular su frecuencia Doppler, lo que normalmente rompe el bloqueo y hace que el radar se desvíe ocultándose contra el retorno del 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 mientras integra las señales durante un lapso 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, fue desarrollado durante la Segunda Guerra Mundial para los aviones de la Armada de los Estados Unidos , con el fin de apoyar las operaciones de combate nocturno. La mayoría utilizaba el espectro UHF y tenía una antena Yagi de transmisión en el ala de babor y una antena Yagi de recepción en el ala de estribor . Esto permitía a los bombarderos volar a una velocidad óptima al aproximarse a los objetivos de los barcos y permitía a los aviones de combate de escolta apuntar sus cañones contra los aviones enemigos durante las operaciones nocturnas. Estas estrategias se adaptaron al rastreo por radar semiactivo .

En 1951, Carl A. Wiley inventó el radar de apertura sintética , que, aunque distinto del radar Doppler convencional, se basaba en principios Doppler y fue patentado originalmente como "Métodos y medios del radar Doppler pulsado", n.° 3.196.436.

Los sistemas Doppler modernos son lo suficientemente livianos para la vigilancia terrestre móvil asociada con la infantería y los buques de superficie. Estos detectan el movimiento de los vehículos y el 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 radares Doppler dependían de 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 requieren amortiguadores de vibraciones voluminosos. Ese peso adicional impuso limitaciones inaceptables en el rendimiento cinemático que restringieron el uso de las aeronaves a operaciones nocturnas, condiciones climáticas adversas y entornos con fuertes interferencias hasta la década de 1970.

El filtrado digital por transformada rápida de Fourier (FFT) se hizo práctico cuando aparecieron los microprocesadores modernos durante la década de 1970. Esto se conectó inmediatamente a los radares pulsados ​​coherentes, de los que se extraía información de velocidad. Esto resultó útil tanto en los radares meteorológicos como en los de control del tráfico aéreo . La información de velocidad proporcionó otra entrada al rastreador de software y mejoró el seguimiento por computadora. Debido a la baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) de la mayoría de los radares pulsados ​​coherentes, que maximiza la cobertura en el rango, la cantidad de procesamiento Doppler es limitada. El procesador Doppler solo 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 de un 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 livianas y más asequibles. Los radares de pulso Doppler combinan todos los beneficios de largo alcance y capacidad de alta velocidad. Los radares de pulso Doppler utilizan una frecuencia de pulso 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 una u otra; un radar diseñado para detectar objetivos de cero a Mach 2 no tiene una alta resolución en velocidad, mientras que un radar diseñado para mediciones de velocidad de alta resolución no tiene un amplio rango 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 en velocidad está en las 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 fines de la década de 1960, comenzaron a producirse radares de tráfico que usaban una sola antena. Esto fue posible gracias al uso de polarización circular y una sección de guía de ondas de múltiples puertos que operaba en la banda X. A fines de la década de 1970, esto cambió a polarización lineal y al uso de circuladores de ferrita en las bandas X y K. Los radares de PD operan a una frecuencia de pulso de impulso 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 las Grandes Ligas de Béisbol , meteorología , pistolas de radar , ^[10] radiología y atención sanitaria (detección de caídas ^[11] y evaluación de riesgos, con fines de enfermería o clínicos ^[12] ), y radar biestático ( misiles tierra-aire ).

En parte debido a su uso común por parte de los meteorólogos de televisión en los informes meteorológicos en el aire, 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 de pulso Doppler para examinar el movimiento de la precipitación , pero es solo una parte del procesamiento de sus datos. ^{[13] [14]} Por lo tanto, si bien estos radares utilizan una forma altamente especializada de radar Doppler , este tipo de radar es mucho más amplio en su significado y sus aplicaciones.

Los trabajos sobre la función Doppler para radares meteorológicos tienen una larga historia en muchos países. En junio de 1958, los investigadores estadounidenses David Holmes y Robert Smith consiguieron detectar la rotación de un tornado utilizando el radar móvil de onda continua (foto de la derecha). El laboratorio de Norman, que más tarde se convertiría en el National Severe Storms Laboratory (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 ^[15].

El trabajo se aceleró después de un evento como el Super Outbreak de 1974 en los Estados Unidos, cuando 148 tornados rugieron a través de trece estados. El radar de reflectividad de la época solo podía localizar la estructura de precipitación de las nubes de tormenta, pero no la rotación mesocicólica y la divergencia de los vientos que conducen al desarrollo de tornados o ráfagas descendentes . El Doppler NSSL entró en funcionamiento en 1971 y condujo a la implementación de la red NEXRAD a fines de la década de 1980. ^[16]

Los radares Doppler se utilizaron como ayuda a la navegación de aeronaves y naves espaciales. Midiendo directamente el movimiento del suelo con el radar y comparándolo con la velocidad del aire que devolvían los instrumentos de la aeronave, se pudo determinar con precisión por primera vez la velocidad del viento. Este valor se utilizó luego para una estimación de alta precisión . Un ejemplo temprano de un sistema de este tipo fue el radar Green Satin utilizado en el English Electric Canberra . Este sistema enviaba una señal pulsada a una tasa de repetición muy baja para poder usar una sola antena para transmitir y recibir. Un oscilador mantenía la frecuencia de referencia para compararla con la señal recibida. En la práctica, la "fijación" inicial se tomaba utilizando un sistema de navegación por radio , normalmente Gee , y el Green Satin proporcionaba entonces una navegación precisa de larga distancia más allá del alcance de 350 millas de Gee. Se utilizaron sistemas similares en varios aviones de la época, ^[17] y se combinaron con los radares de búsqueda principales de los diseños de cazas en la década de 1960.

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 consistía en una unidad transmisora/receptora, una unidad de procesamiento y una plataforma de antena estabilizada por giroscopio. La antena generaba cuatro haces y se giraba mediante un mecanismo servo para alinearse con la trayectoria de la aeronave al igualar 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 respecto al suelo se determinaba a partir del desplazamiento Doppler entre los haces orientados hacia adelante y hacia atrás. Estos se mostraban en la cabina de vuelo en un solo instrumento. ^{[ cita requerida ]} Algunas aeronaves tenían una "computadora Doppler" adicional. Este era un dispositivo mecánico que contenía una bola de acero que giraba mediante un motor cuya velocidad era controlada por la velocidad respecto al suelo determinada por Doppler. El ángulo de este motor era controlado por el "ángulo de deriva". Dos ruedas fijas, una "a proa y a popa" y la otra "de izquierda a derecha", accionaban los contadores para indicar la distancia a lo largo de la pista y la diferencia de pista a través de ella. La brújula del avión estaba integrada en el ordenador para poder establecer una pista deseada entre dos puntos de referencia en una ruta de gran círculo sobre el agua. Puede parecer sorprendente para los lectores del siglo XXI, pero en realidad funcionaba bastante bien y suponía una gran mejora con respecto a otros métodos de "estimación de la posición" disponibles en ese momento. Generalmente se respaldaba con correcciones de posición de Loran , VOR , NDB o, como último recurso, sextante y cronómetro. Era posible cruzar el Atlántico con un error de un par de millas cuando se estaba dentro del alcance de un par de VOR o NDB. Su principal defecto en la práctica era el estado del mar, ya que un mar en calma proporcionaba malos retornos de radar y, por lo tanto, mediciones Doppler poco fiables. Pero esto era poco frecuente en el Atlántico Norte ^{[ cita requerida ]}

Las técnicas Doppler basadas en la ubicación también se utilizaron en el histórico sistema de navegación por satélite Transit de la Armada 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 son 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 que se mueve rápidamente. La combinación del desplazamiento Doppler y el tiempo de recepción se puede utilizar para generar un lugar geométrico de ubicaciones que tendrían el desplazamiento medido en el punto que intersecta la superficie de la Tierra en ese momento: al combinar esto con otros lugares geométricos de mediciones en otros momentos, se puede determinar con precisión la ubicación real de la estación terrestre. ^{[ cita requerida ]}

Un ejemplo notable de la utilización de la información Doppler es la detección y clasificación de pequeños vehículos aéreos no tripulados . Los sistemas de radar que funcionan a una frecuencia extremadamente alta ofrecen una resolución Doppler mejorada para un intervalo de procesamiento coherente determinado. ^[18] Esta mayor resolución permite el acceso a las firmas micro-Doppler (MDS), donde micro-Doppler se refiere a las modulaciones Doppler causadas por el movimiento oscilatorio de los componentes estructurales de un objetivo, en contraste con el Doppler masivo, que se relaciona con el movimiento general del objetivo. ^[19] Por lo general, los UAV tienen aspas giratorias que generan MDS distintivas, lo que permite una discriminación eficaz de los objetivos entre los UAV y otros objetos aéreos, como las aves. ^[20]

• Radar de onda continua  : tipo de radar en el que se transmite una energía de radio de onda continua de frecuencia estable conocida.
• Radar de localización semiactivo  : tipo de sistema de guía de misiles

• Luck, David GC (1949). Radar de frecuencia modulada. Nueva York: McGraw-Hill.
• Liu, L; Popescu, M; Skubic, M; Rantz, M; Yardibi, T; Cuddihy, P (2011). "Detección automática de caídas basada en el movimiento del radar Doppler". Actas de la 5.ª Conferencia internacional sobre tecnologías informáticas generalizadas para la atención sanitaria . Dublín, Irlanda. págs. 222–225. doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN . 978-1-61284-767-2.

• Descripción del efecto Doppler utilizado en el radar Doppler de onda continua