Доплеровский радар


Правительство РФ все-таки склоняется к отмене нештрафуемого «запаса» в 20 км/ч на российских трассах, и поэтому мы решили поговорить о том, как именно работают современные полицейские радары. В этом посте вы найдете описание эффекта Доплера, лежащего в основе работы большинства радаров, а также расчеты, с какой именно скоростью можно ездить по трассе, не опасаясь штрафов.

Когда говорят об эффекте Доплера, мне всегда вспоминается старый советский анекдот.

Однажды ученый проехал на красный сигнал светофора и был остановлен инспектором.
– Нарушаете? – спросил Инспектор
Находчивый ученый решил блеснуть знаниями.
– Никак нет, товарищ Инспектор.
– А почему проехали на красный сигнал светофора?
– Видите ли, он показался мне зеленым из-за эффекта Доплера
Инспектор оказался тоже с техническим образованием и лишил ученого водительских прав за астрономическое превышение скорости.

Суть явления

На самом деле эффект Доплера – явление изменения частоты волн, регистрируемых от движущихся объектов или движущимися объектами, – наблюдается повсеместно. Это справедливо и для звука, и для электромагнитных волн (конечно, с определенными поправками).


С эффектом Доплера мы постоянно сталкиваемся в жизни, например, когда слышим звук сначала приближающейся сирены, а потом – удаляющейся. Сначала звук кажется выше, а потом – наоборот, ниже тоном. Теоретически он был обоснован австрийским физиком еще в 1842 году, а сегодня этот эффект применяется во многих сферах науки и техники – от космических исследований… до выписывания штрафов водителям.

image

Кратко описать эффект Доплера можно следующим образом: движение одного объекта относительно другого приводит к тому, что пики волн доходят от источника к приемнику с запозданием (или опережением), и от этого частота сигнала меняется.

Поэтому длина волны для регистрируемого излучения определяется по формуле (все выкладки можно найти в Википедии, но если вам лень, мы также перенесли их сюда).

image

А частота, которую зарегистрирует неподвижный приемник, определяется по формуле

image

Полицейские радары

В случае с полицейскими радарами речь идет о радиоволнах, поэтому в формулах расчета не учитывается параметр С – скорость распространения сигнала в физической среде. Вместо этого применяется специальная теория относительности, а формула принимает вид:


image

В этой формуле C — скорость света, а V — скорость источника относительно приёмника. Косинус Тета отражает угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчёта приёмника.

Полицейский радар представляет собой одновременно и источник сигнала, и приемник, который регистрирует частоту отраженного радиочастотного излучения.

Большинство современных радаров работают в диапазоне K, а значит создают излучение на частоте примерно 24,15 ГГц. Отраженный от движущегося предмета сигнал имеет другую частоту. И для определения скорости автомобиля разница уменьшается вдвое, а относительная радиальная скорость рассчитывается по формулам, приведенным выше.

Производители современных радаров, таких как СТРЕЛКА, заявляют погрешность не более чем в 1 км/ч, а погрешность КРИС-П составляет 1 км/ч. Более старые модели радаров могут иметь погрешность до 2 км/ч. Радары с большей погрешностью уже не используются

Таким образом, получается, что при попадании в поле зрения радара радиальная скорость вашего автомобиля в большинстве случаев будет определена с точностью до 2 км/ч. При этом радар не будет учитывать ту составляющую скорости, которая направлена перпендикулярно. То есть при движении в повороте, а также по холмистой местности регистрируемая скорость автомобиля будет тем ниже, чем больше составляющая направления движения, перпендикулярная к линии, соединяющей радар и автомобиль.


Если же движение происходит по прямой, без перепадов высот и поворотов, можно считать. что радар регистрирует вашу скорость и в худшем случае еще +2 или +5 км/ч, если учитывать фактор «перестраховки».

Однако не стоит думать, что эти единицы километров в час можно определить по спидометру автомобиля. Сегодня производители специально завышают показания спидометров, чтобы повысить безопасность движения. И если даже вы думаете, что едете со скоростью 100 км/ч, на практике может оказаться, что реальная скорость не превышает 90 км/ч.

Именно поэтому для эффективного определения скорости используются устройства со встроенным GPS-приемником, такие как видеорегистраторы с GPS-информерами, например Playme Sigma, радар-детекторы, такие как Playme Silent 2 или Playme Hard 3, либо комбо-устройства, например, Playme P570. По данным со спутника можно определить свою реальную скорость и двигаться максимально быстро, но в разрешенном режиме.

Законы и штрафы

Сегодня в РФ законом определен порог в нештрафуемые 20 км/ч (которые в ближайшее время могут быть уменьшены до 10 км/ч), что позволяет избежать штрафа при превышении скорости в этом пределе. То есть вы можете не опасаться штрафов, если движетесь со скорость на 15-18 км/ч больше (а скоро – на 5-8 км/ч больше) разрешенной. В противном случае погрешность камеры может сыграть не в вашу пользу.


В Европе работает несколько иная схема формирования штрафов. В разных странах законом установлены различные пороги нарушения скорости. В эти пороги уже «зашиты» погрешности приборов. Например, в Австрии этот параметр составляет 3 км/ч для стационарного лазерного радара, 5 км/ч для стационарного радиорадара, а также 7 км/ч для мобильного радара. В Бельгии, Франции и Италии – 5 км/ч для всех типов радаров. В Финляндии учитываются нарушения от 7 км/ч + погрешность радара, а в Сербии штрафуют даже за превышение на 1 км/ч, причем без учета погрешности радаров. Вот уж где не стоит излишне разгоняться.

image

Источник: habr.com

1. Определение эффекта Доплера

Что же происходит и в чём причина этого эффекта?

Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:

  • длина волны;
  • период колебаний в волне;
  • частота колебаний в волне;
  • амплитуда;
  • скорость волны.

Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой  где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.

Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него. Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него.


енно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него. И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.

2. Эксперименты

Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.

Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки. Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.

Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот. Суть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда.


зыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.

Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.

3. Формула и применение

Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны. Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что  (здесь v — скорость волн в данной среде, ν0 — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью относительно среды, то  и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:


Доплеровский радар

Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u1, то частота регистрируемых им волн будет равна:

Доплеровский радар

Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:

Доплеровский радар

Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет. Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается. То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым. Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.


>Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.

4. Релятивистский эффект Доплера.

Выше уже было отмечено, что эффект Доплера применим не только к механическим, но и к электромагнитным волнам. Однако, в случае электромагнитных волн нужно учитывать, что их скорость — есть величина постоянная, не зависящая от направления и скорости движения источника или наблюдателя, и равная с. В этом случае, формулы, аналогичные тем, что приведены для звуковых волн, следует выводить на основании специальной теории относительности Эйнштейна. Это и будет формула релятивистского эффекта Доплера. Не углубляясь в процедуру её вывода, приведём сразу окончательный результат:


Доплеровский радар

Здесь v — это скорость источника относительно приёмника, а угол а — при удалении источника вдоль прямой равен π, а при приближении источника по прямой равен 0.

5. Методические советы учителям.

  1. При описании эффекта Доплера лучшей демонстрацией будет звукозапись сирены или гудка проезжающего автомобиля. Для этого можно одному или нескольким ученикам предварительно дать задание — записать сигнал проезжающего мимо автомобиля или машины скорой помощи на смартфон. С этой звукозаписи и стоит начать урок.
  2. Особое внимание стоит уделить применению эффекта Доплера, а не самим формулам, с ним связанным. Ведь этот эффект используют люди самых разных профессий — сотрудники ДПС, врачи, учёные, метеорологи.
  3. Приводимые здесь формулы можно преобразовать и решить несколько вычислительных примеров практической направленности — рассчитать скорость автомобиля или определить изменение звукового тона по частоте.
  4. Особое внимание следует уделить применению эффекта Доплера в астрономии и космологии, ведь именно из этого эффекта следует вывод о расширяющейся Вселенной, что в итоге привело к созданию современной космологической модели Вселенной.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: rosuchebnik.ru

 

 

Самолетная доплеровская система является автономной радиолокационной системой самолетовождения. Доплеровская система в значительной степени свободна от таких недостатков панорамных радиолокаторов, как малая их эффективность при полете над однородной местностью, большая затрата времени на определение навигационных элементов (путевой скорости и угла сноса) и малая точность этих измерений.

Самолетная доплеровская система полностью решает задачи определения навигационных элементов и счисления пути.

Доплеровские системы самолетовождения, применяемые в гражданской авиации различных стран, измеряют путевые скорости от 130 до 1800 км/ч, а углы сноса — от 0 до 45° на высотах до 15 000 м и выше. При этом ошибки по путевой скорости лежат в пределах от 0,2 до 0,9%’ и по углу сноса в пределах от 0,2 до 0,6, а точность счисления пути по дальности и боковому уклонению при точности компасного курса ±0°,5 составляет 1% от дистанции.

Принцип действия. Если с движущегося самолета при помощи радиопередатчика излучать электромагнитные колебания под углом 0 к земной поверхности, то между частотой этих колебаний и частотой принятых самолетным радиоприемником отраженных от земной поверхности колебаний обнаружится сдвиг. Само явление такого сдвига частот колебаний носит название эффекта Доплера, а разность частот, излучаемых и принятых колебаний, называется частотой Доплера. Эта частота, применительно к движущемуся самолету, определяется так:

 

Путевая скорость в доплеровской системе схематично определяется следующим образом:

самолетный радиопередатчик через антенну, по направлению совпадающую с продольной осью самолета, излучает на поверхность земли под некоторым углом радиоволны с неизменной частотой колебаний;

радиоволны, попадающие на землю, изменяют свою частоту пропорционально путевой скорости самолета и, отражаясь, частично возвращаются на самолет, вновь изменяя свою частоту; таким образом, радиоволны возвращаются на самолет с частотой, дважды измененной пропорционально продольной составляющей путевой скорости;

автоматически измеряется разность переданных и принятых частот радиоволн при помощи специального устройства, выдающего это значение на цифровой прибор.

Определение угла сноса происходит по аналогичному принципу, но используется антенна, направленная перпендикулярно продольной оси самолета.

Доплеровские системы могут иметь однолучевые, двухлучевые, трехлучевые и четырехлучевые антенны. Однако сейчас наибольшее распространение получили четырех-лучевые антенны, так как они исключают ряд ошибок и повышают точность измерения путевой скорости и угла сноса.

 

Обычно доплеровские системы включают в себя три основных устройства, размещенных на самолете:

1)  доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса (ДИСС), непрерывно определяющий текущие значения W и УС и выдающий их на указатель, а также на навигационный вычислитель;

2)  датчик курса;

3)  навигационный вычислитель (НВ), получающий текущие значения W и УС от ДИССа, и курс самолета — от курсовой системы, интегрирующий эти данные и ведущий счисление пути в оргодромической прямоугольной системе координат. НВ выдает экипажу текущее место самолета.

 

Координаты х (путь, пройденный самолетом вдоль заданной ортодромии) и z (линейное боковое уклонение от ортодромии) подаются на стрелочный прибор и цифровой счетчик.

IIB решает уравнение, связывающее через элементы движения самолета (ЗПУ, OK, W, УС) и время начальные координаты с текущими координатами МС, причем ЗПУ вводится в вычислитель вручную, ОК — от курсовой системы и УС — от ДИССа.

Наибольшей погрешностью, определяющей точность НВ, является погрешность датчиков курса — курсовых систем. Меньшее значение имеют погрешности измерения и установки ОК, а также погрешности определения W и УС ДИССом.

Навигационные вычислители типа НИ-50 осуществляют счисление пути по выдаваемым ДИССом W и УС, но могут также использоваться при ручном введении скорости и направления ветра. Эти вычислители имеют аналогичные НИ-50 двухстрелочный счетчик координат х и z (стрелки «С» и «В»), задатчик углов карты и задатчик ветра. Навигационные вычислители, входящие в доплеровские системы, обеспечивают работу системы в режиме «Память» (запоминание параметров движения самолета в случаях полета над спокойными водными пространствами или при больших кренах), когда не наблюдается поступление в систему доплеровских частот. В этом случае при сохранении воздушной скорости и направления полета счисление пути будет выполняться с допустимыми погрешностями в течение 15—20 мин.

При переходе на режим работы системы «Память» целесообразно переключатель «ДИСС — Л НУ» поставить в положение «АНУ» и при изменении воздушной скорости или направления полета установить на задатчике ветра вручную параметры ветра и угол карты, так как в этом случае режим полета нарушился (изменились по отношению к тем, которые «запомнил» навигационный вычислитель). При этом значения составляющих воздушной скорости по осям координат суммируются со значениями составляющих ветра по тем же осям. Теперь при изменении ЗПУ и установке нового угла карты составляющие ветра автоматически перераспределяются.

Штурманская подготовка к полету с применением доплеровской системы проводится в соответствии с требованиями Наставления по штурманской службе в отношении полета с ортодромическими путевыми углами. Необходимо помнить, что от точности расчета заданных ортодромических путевых углов и рас

стоянии зависит точность самолетовождения. Следовательно, при подготовке к полету лучше всего эти данные вычислить аналитически, не прибегая к измерениям на карте. Формулы для вычисления ортодромического путевого угла и ортодромического расстояния даны в разделе «Авиационная картография».

Кроме предварительных расчетов ОПУ и 5орт, в процессе подготовки полетной карты следует:

наметить по маршруту контрольные радиолокационные ориентиры через 150—200 км в зависимости от протяженности маршрута и скорости самолета, рассчитать аналитически или измерить прямоугольные координаты х и г этих ориентиров, записать их на карте и соединить ориентир с ЛЗП прямой, перпендикулярно к ЛЗП (или ее продолжению);

то же самое проделать для точек установки наземных маяков угломерно-дальномерной системы;

у каждого ППМ записать значение угла разворота (УР) для выхода на ЛЗП следующего этапа пути.

 

Эти дополнительные работы необходимы для:

а)  обеспечения точного пролета над ИПМ или точной установки на счетчике начальных координат относительно проложенной на карте ЛЗП;

б)  коррекции МС без измерений на карте с помощью панорамного радиолокатора или угломерно-даль- номерной системы;

в)  точного определения пролета нужным нам точек (КО, ППМ, КПМ) без измерений на карте.

 

В полный комплект органов управления и индикатора доплеровской системы входят:

1)  указатель угла сноса и путевой скорости;

2)  задатчик углов карты (заданного ОПУ);

3)  задатчик ветра (для установки скорости и направления ветра, когда ДИСС не работает);

4)  счетчик координат х (стрелка «С») и z (стрелка «В»);

5)  щиток управления системой в полете, имеющий две сигнальные лампы н два переключателя.

Первый переключатель имеет четыре положения:

«Выкл». — питание низкого напряжения выключено;

«Вкл.» — питание низкого напряжения включено и загорается зеленая (левая) сигнальная лампа с надписью «Вкл.»;

«Пам.» — перевод системы в режим работы «Память».

«Высок.» — питание высокого напряжения включено и загорается красная (правая) сигнальная лампа.

Второй переключатель имеет также четыре положения:

«Суша» — положение при полете над сушей;

«Море» — положение при полете над морем;

«Контр. 1» и «Контр. 2» — положение при контроле калибровки системы;

6)  переключатель «ДИСС — АНУ», позволяющий использовать навигационный вычислитель (АНУ, НИ-50) в случае отказа ДИССа. В этом случае его переключают из положения «ДИСС» в положение «АНУ» и АНУ ведет счисление пути как НИ-50;

7)  выключатель «Счетчик», предназначенный для включения и выключения счетчика координат. В момент перевода его в положение «Вкл.» навигационный вычислитель АНУ ведет счисление и подает на счетчик координаты х и z. При установке выключателя в положение «Выкл.» стрелки «С» и «В» не двигаются.

 

Если в полете предполагается пользоваться доплеровской системой, то перед взлетом штурман обязан:

1)  установить на щитке управления левый переключатель в положение «Выкл.», а правый — в положение «Суша»;

2)  тумблер «ДИСС — АНУ» поставить в положение «ДИСС»;

3)  убедиться, что выключатель «Счетчик» стоит в положении «Выкл.» и стрелки счислителя пути находятся в нулевом положении;

4)  на задатчике угла карты установить заданный ортодромический путевой угол первого этапа пути, после чего на щитке управления левый переключатель перевести в положение «Вкл.» (зеленая сигнальная лампа с надписью «Вкл.» должна загореться);

5)  в воздухе (не ранее чем через 2 мин после включения) левый переключатель на щитке управления уста-; новить в положение «Высок.» (должна загореться красная сигнальная лампа).

Через 3 мин можно пользоваться доплеровской системой, учитывая, что стрелки счислителя пути будут находиться в нулевом положении до тех пор, пока выключатель «Счетчик» стоит на «Выкл.», тогда как указатель путевой скорости и угла сноса находится в рабочем положении.

Несмотря на то что доплеровская система в сущности обеспечивает ведение полного контроля пути, однако ввиду присущих ей погрешностей в основном за счет низкой точности определения курса, экипажу в полете необходимо по возможности точнее выставлять начальные координаты МС, своевременно по штурманскому плану полета корректировать показания системы с помощью других радиотехнических средств и оперативно осуществлять переход на новый этап маршрута.

Начальными координатами МС можно считать либо координаты места вылета, если после взлета выполняется круг над аэродромом, либо координаты ИПМ — любой точки на некотором удалении от аэродрома, точный пролет которой легко «засечь» с помощью бортового радиолокатора, приводных?

Дистанций или угломерно-дальномерной системы. Во всех случаях желательно с наибольшей возможной точностью в момент пролета намеченной точки включить счетчик координат; если же это по каким- либо причинам невозможно, то визуально или при помощи радиотехнических средств определить МС в прямоугольных ортодромических координатах х и z, поставить их на счетчике и включить его, установив в то же время на задатчике угла карты значение ОПУ и откорректировав КС от опорного меридиана. От ИПМ до первого пункта коррекции полет осуществлять с ОК=ЗПУ—УС, стремясь удержать стрелку счетчика «В» (координата г) в нулевом положении.

Активная коррекция показаний навигационного вычислителя в полете осуществляется при помощи самолетного панорамного радиолокатора или угломерно-дальномерной системы. Для коррекции необходимо определить фактическое место самолета в ортодромических прямоугольных координатах.

 

Формулы для определения фактического SC при помощи радиолокатора и угломерно-дальномерной системы по существу одинаковы.

 

Включение и подготовка системы к работе. На самолете доплеровская аппаратура включается штурманом. Для включения аппаратуры необходимо:

1)  на щитке управления системой левый переключатель поставить в положение «Выкл.», а правый переключатель в положение «Суша»;

2)  переключатель на приборной доске штурмана с надписью «ДИСС—АНУ» поставить в положение «ДИСС»;

3)  выключатель с надписью «Счетчик», расположенный около счисли- теля пути, поставить в положение «Выкл.»;

4)  убедиться, что стрелка числителя пути находится в нулевом положении.

 

Проверив, что все тумблеры и переключатели стоят в указанном положении, на задатчике угла карты установить заданный ортодромический путевой угол первого этапа маршрута и левый переключатель на щитке управления перевести в положение «Вкл»: (на щитке управления должна загореться зеленая сигнальная лампа с надписью «Вкл.»).

Через 1—2 мин после включения системы (после взлета) левый переключатель на щитке управления следует перевести в положение «Высок», при этом загорится красная сигнальная лампа со знаком.

После включения высокого напряжения не ранее чем через 3 мин

система будет находиться в рабочем состоянии и может быть использована для самолетовождения.

Поскольку тумблер «Счетчик» находится в положении «Выкл», числитель пути не работает и стрелки его до включения будут стоять на нуле. Указатели угла сноса и путевой скорости находятся в рабочем состоянии и выдают значение УС. 

Источник: avia.pro

Эффект Доплера: умное эхо

Doppler-Portrait-Daguerreotyoie.jpgВ 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер открыл физический эффект, который впоследствии был назван его именем. Несмотря на огромную значимость данного открытия, суть его очень проста, и любой из нас не раз сталкивался с эффектом Доплера. Например, когда мимо проносится машина скорой помощи с включенной сиреной, можно легко заметить, что изменения высоты звука пропорциональны скорости автомобиля. Когда машина приближается, высота звука выше, а при удалении автомобиля сигнал все менее громкий. Это изменение высоты звука при приближении или удалении его источника и есть эффект Доплера.

Почему это происходит? Как известно из основ физики, основными характеристиками волны являются частота и длина. Частотой считается количество пиков волн, произошедшее в точке наблюдения за секунду. Длина волны – это расстояние между ее «гребнями». Если источник звука движется нам навстречу, то гребень каждой следующей звуковой волны приходит чуть быстрее, так как был испущен уже ближе к нам. Волны воспринимаются ухом как более частые, и звук кажется громче. При удалении источника звука каждая следующая волна доходит до нас чуть позднее предыдущей, а мы слышим более низкий звук.

То же самое происходит, если движется не источник звука, а мы сами. Для наблюдения эффекта Доплера не важно, движется источник или приемник звука, главное – их движение относительно друг друга. И не важно, звуковая это волна или нет: эффект наблюдается для волн любой частоты, в том числе световых и даже радиоактивного излучения.

Итак, эффект Доплера – изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемой наблюдателем (приемником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приемника).

В 1842 году австриец Кристиан Доплер сумел установить и обосновать эту зависимость. Но научная общественность не сразу восприняла его идею, и публикация Доплера была раскритикована. Главным основанием для критики являлось то, что статья не имела экспериментальных подтверждений.

Исключительно теоретическим эффект Доплера оставался до 1845 года, пока описанное австрийским физиком явление не получило первую экспериментальную проверку. Тогда голландский метеоролог Бейс-Баллот подтвердил эффект Доплера для звука самым, наверное, наглядным способом. На железной дороге между Утрехтом и Амстердамом локомотив на рекордной для того времени скорости 64 км/ч тянул открытый вагон с группой трубачей. Были официально зафиксированы изменения тона во время движения вагона при приближении и удалении.

На службе науки: от далекой планеты до клетки крови

Чуть позже теория Доплера была распространена и на свет, и на электромагнитное излучение в целом. Универсальность эффекта позволила найти ему применение в самых различных сферах. К примеру, он оказался совершенно незаменимым инструментом в космических исследованиях. Было установлено, что эффект Доплера влияет на картину спектра звезд, по которому можно определить, удаляется звезда или, наоборот, приближается. Так эффект Доплера помог понять, что Вселенная расширяется – звезды разбегаются друг от друга.

С помощью эффекта Доплера были определены экзопланеты, которые невозможно увидеть ни одним современным телескопом. Измеряя спектры излучения некоторых звезд, астрономы сделали вывод, что причиной различных колебаний звезды может стать планета, вращающаяся вокруг нее. При помощи метода Доплера удалось открыть уже порядка 500 далеких планет.

Эффект Доплера помогает делать открытия не только астрономам, но и медикам. Это физическое явление легло в основу множества приборов ультразвуковой диагностики. Методика, использующая УЗИ с эффектом Доплера, называется доплерографией. Ее сутью является то, что движущиеся объекты отражают ультразвуковые волны с измененной частотой. К примеру, можно узнать, с какой скоростью кровь бежит по жилам пациента.

shutterstock_433667785_1.jpg

Но, пожалуй, самое широкое распространение эффект Доплера получил в радиолокации. Доплеровский радар посылает короткий, высокой интенсивности, пакет высокочастотных радиоволн. После этого радар слушает эхо и измеряет время его возврата, а также его доплеровский сдвиг. Такие радары позволяют определять скорости автомобилей и летательных аппаратов, судов, течений водных потоков.

Как работает радиоизмеритель скорости

К приборам, которые функционируют на основе эффекта Доплера, относятся и доплеровские измерители путевой скорости и угла сноса (ДИСС). Такое устройство является ключевым элементом автономных навигационных систем, которые дают возможность самолету, вертолету, ракете ориентироваться в пространстве без использования ГЛОНАСС/GPS. Летающий аппарат с такой системой на борту практически невозможно сбить с курса.

Напомним, что путевой скоростью самолета называют горизонтальную проекцию скорости летательного аппарата относительно земной поверхности. Для измерения этой скорости ДИСС имеет антенную систему, формирующую несколько лучей. Принимаемый по каждому из этих лучей сигнал имеет доплеровскую частоту пропорциональную проекции вектора скорости самолета на этот луч. Для измерения вектора скорости достаточно трех лучей, не лежащих в одной плоскости.

Таким образом, путевая скорость определяется по спектру частот сигнала, отраженного земной поверхностью, основываясь на эффекте Доплера – изменение частоты отраженного от объекта сигнала в зависимости от скорости движения этого объекта. Путевая скорость связана с воздушной скоростью и скоростью ветра навигационным треугольником, в котором угол между векторами воздушной и путевой скорости называется углом сноса, поскольку его причиной является ветер.

photo_2019-10-14_12-58-31.jpg

ДИСС делятся на самолетные и вертолетные. В самолетных ДИСС измеряется продольная и поперечная составляющие вектора скорости, тогда как в вертолетных системах измеряется еще и вертикальная составляющая скорости. Вертолетные ДИСС применяются также для осуществления мягкой посадки космических аппаратов, а самолетные – для управления крылатыми ракетами.

ДИСС от лидера военной электроники

Как подчеркивают в «Росэлектронике», объем российского рынка ДИСС – это несколько миллиардов рублей в год, значительную его долю занимают зарубежные производители. Сегодня новые разработки холдинга помогают исправить эту ситуацию. Надо отметить, что первые ДИСС в нашей стране были разработаны в ЦКБ-17, сейчас это структура холдинга «Росэлектроника» – концерн «Вега».

Первый отечественный ДИСС «Трасса» выпускался серийно более 20 лет в различных модификациях. Он применялся на самолетах Ту-104, Ту-114, Ту-134, Ил-18 и Ан-12. Дальнейшим развитием явились ДИСС «Стрела», «Мачта», установленные, в частности, на борту легендарного Ту-154, и ДИСС «Снос» – для самолетов Ил-86, Як-42, Ан-72. В этот же период времени были разработаны ДИСС серии «Винт» для вертолетов.

Здесь же был создан доплеровский посадочный радиолокатор «Планета». Именно это оборудование обеспечивало мягкую посадку на поверхность Луны советских автоматических станций «Луна». Эти станции осуществили высадку луноходов с научной аппаратурой, которые впервые провели забор образцов лунного грунта.

Новое поколение ДИСС производства «Росэлектроники» находит применение в современной авиатехнике, космических аппаратах, крылатых и баллистических ракетах. Недавно холдинг был награжден премией «Авиастроитель года» в номинации «За успехи в развитии диверсификации производства в условиях импортозамещения» за разработку вертолетного доплеровского измерителя скорости и сноса, совмещенного с высотомером (ДИСС-ВГ). Прибор также был представлен на выставке HeliRussia-2019 .

Новинка ДИСС-ВГ способен не только самостоятельно рассчитывать угол сноса и скорость, но и дополнительно выполняет функции высотомера. Такое сочетание позволило уменьшить количество бортового оборудования и оптимизировать внутреннее пространство вертолета. Аппаратура входит в состав автономной системы навигации, которая позволяет вертолету не сбиться с курса даже в условиях радиоэлектронных помех или при отсутствии спутниковой связи, а также полностью исключает человеческий фактор и вероятность некоторых ошибок пилотирования.

Источник: rostec.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.