Wie funktioniert Doppler Radar?

Eine Entdeckung, die auf vielfältige Weise genutzt wird, ist der Doppler-Effekt, auch wenn die wissenschaftliche Entdeckung auf den ersten Blick eher unpraktisch erscheint.

Der Doppler-Effekt handelt von Wellen, den Dingen, die diese Wellen erzeugen (Quellen), und den Dingen, die diese Wellen empfangen (Beobachter). Grundsätzlich heißt es, wenn sich Quelle und Beobachter relativ zueinander bewegen, ist die Frequenz der Welle für beide unterschiedlich. Dies bedeutet, dass es eine Form der wissenschaftlichen Relativitätstheorie ist.

Tatsächlich gibt es zwei Hauptbereiche, in denen diese Idee zu einem praktischen Ergebnis geführt hat, und beide sind mit dem Griff des "Doppler-Radars" fertig geworden. Technisch ist das Doppler-Radar das, was von "Radargeschützen" von Polizeibeamten verwendet wird, um die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Eine andere Form ist das Puls-Doppler-Radar, mit dem die Geschwindigkeit von Wetterniederschlägen verfolgt wird. In der Regel kennen die Leute den Begriff, der in diesem Zusammenhang bei Wetterberichten verwendet wird.

Doppler-Radar: Polizeiradargewehr

Doppler-Radar sendet einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, der auf eine genaue Frequenz abgestimmt ist, auf ein sich bewegendes Objekt. (Sie können natürlich Doppler-Radar für ein stationäres Objekt verwenden, aber es ist ziemlich uninteressant, es sei denn, das Ziel bewegt sich.)

Wenn die elektromagnetische Strahlungswelle auf das sich bewegende Objekt trifft, "prallt" sie zurück zur Quelle, die neben dem ursprünglichen Sender auch einen Empfänger enthält. Da jedoch die Welle von dem sich bewegenden Objekt reflektiert wird, wird die Welle verschoben, wie durch den relativistischen Doppler-Effekt umrissen.

Grundsätzlich wird die Welle, die zur Radarkanone zurückkehrt, als eine völlig neue Welle behandelt, als würde sie von dem Ziel ausgesendet, von dem sie abgeprallt ist. Das Ziel fungiert im Grunde genommen als neue Quelle für diese neue Welle. Beim Empfang an der Waffe hat diese Welle eine andere Frequenz als beim ursprünglichen Senden zum Ziel.

Da die elektromagnetische Strahlung beim Aussenden eine genaue Frequenz hatte und bei ihrer Rückkehr eine neue Frequenz hat, kann dies zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet werden, v, des Ziels. 

Puls-Doppler-Radar: Wetter-Doppler-Radar

Bei der Beobachtung des Wetters ist es dieses System, das die wirbelnden Darstellungen von Wettermustern und, was noch wichtiger ist, die detaillierte Analyse ihrer Bewegung ermöglicht.

Das Puls-Doppler-Radarsystem ermöglicht nicht nur die Bestimmung der Lineargeschwindigkeit wie bei der Radarkanone, sondern auch die Berechnung der Radialgeschwindigkeiten. Dies geschieht durch Senden von Impulsen anstelle von Strahlenbündeln. Die Verschiebung nicht nur in der Frequenz, sondern auch in den Trägerzyklen ermöglicht es, diese Radialgeschwindigkeiten zu bestimmen.

Um dies zu erreichen, ist eine sorgfältige Kontrolle des Radarsystems erforderlich. Das System muss in einem kohärenten Zustand sein, der eine Stabilität der Phasen der Strahlungsimpulse ermöglicht. Ein Nachteil besteht darin, dass es eine maximale Geschwindigkeit gibt, über der das Puls-Doppler-System die Radialgeschwindigkeit nicht messen kann.

Betrachten Sie zum Verständnis eine Situation, in der die Phase des Impulses durch die Messung um 400 Grad verschoben wird. Mathematisch ist dies identisch mit einer Verschiebung um 40 Grad, da ein ganzer Zyklus (volle 360 ​​Grad) durchlaufen wurde. Geschwindigkeiten, die solche Verschiebungen verursachen, werden als "Blindgeschwindigkeit" bezeichnet. Es ist eine Funktion der Impulswiederholungsfrequenz des Signals, sodass Meteorologen dies bis zu einem gewissen Grad verhindern können, indem sie dieses Signal ändern.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..