Hoe werkt Doppler-radar?

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

Het Doppler-effect draait helemaal om golven, de dingen die die golven (bronnen) produceren en de dingen die die golven ontvangen (waarnemers). Er staat in feite dat als de bron en de waarnemer ten opzichte van elkaar bewegen, de frequentie van de golf voor beiden verschillend zal zijn. Dit betekent dat het een vorm van wetenschappelijke relativiteit is.

Er zijn eigenlijk twee hoofdgebieden waar dit idee is omgezet in een praktisch resultaat, en beide zijn bij het handvat terechtgekomen van "Doppler-radar." Technisch gezien is Doppler-radar wat wordt gebruikt door "radargeweren" van politieagenten om de snelheid van een motor te bepalen voertuig. Een andere vorm is de Pulse-Doppler-radar die wordt gebruikt om de snelheid van neerslag in het weer te volgen, en meestal kennen mensen de term ervan in deze context tijdens weerberichten.

Doppler-radar werkt door een straal van te sturen electromagnetische straling golven, afgestemd op een precieze frequentie, op een bewegend object. (Je 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 en de originele zender bevat. Omdat de golf echter weerkaatst door het bewegende object, wordt de golf verschoven zoals aangegeven door de relativistisch Doppler-effect.

Kortom, de golf die terugkomt in de richting van het radargeweer wordt behandeld als een geheel nieuwe golf, alsof deze wordt uitgezonden door het doelwit waarvan het terugkaatste. Het doelwit fungeert in feite als een nieuwe bron voor deze nieuwe golf. Wanneer deze golf bij het kanon wordt ontvangen, heeft deze een andere frequentie dan de frequentie waarin deze oorspronkelijk naar het doel werd gestuurd.

Sinds de elektromagnetische straling was op een precieze frequentie bij verzending en is op een nieuwe frequentie bij terugkeer, dit kan worden gebruikt om de snelheid te berekenen, v, van het doelwit.

Bij het kijken naar het weer zorgt dit systeem voor de wervelende weergave van weerpatronen en, nog belangrijker, een gedetailleerde analyse van hun bewegingen.

Het Pulse-Doppler-radarsysteem maakt niet alleen de bepaling van de lineaire snelheid mogelijk, zoals in het geval van het radarpistool, maar maakt ook de berekening van radiale snelheden mogelijk. Het doet dit door pulsen te verzenden in plaats van stralingsbundels. Door de verschuiving, niet alleen in frequentie maar ook in draagcycli, kunnen deze radiale snelheden worden bepaald.

Om dit te bereiken is een zorgvuldige controle van het radarsysteem vereist. Het systeem moet in een coherente toestand verkeren 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 waarin de meting ervoor zorgt dat de fase van de puls 400 graden verschuift. Wiskundig 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 pols herhalingsfrequentie van het signaal, dus door dit signaal te wijzigen, kunnen meteorologen dit voor sommigen voorkomen mate.

Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.