radar Doppler

El efecto Doppler (o desplazamiento Doppler), que recibe su nombre del físico austriaco Christian Doppler, quien lo propuso en 1842, es la diferencia entre la frecuencia observada y la frecuencia emitida por una onda para un observador que se mueve con respecto a la fuente de las ondas. Se suele escuchar cuando un vehículo con sirena se acerca, pasa y se aleja de un observador. La frecuencia recibida es mayor (en comparación con la frecuencia emitida) durante la aproximación, es idéntica en el instante en que pasa y es menor 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 el observador o se aleja de él, y disminuye a medida que aumenta el ángulo entre la dirección del movimiento y la dirección de las ondas, hasta que, cuando la fuente se mueve perpendicularmente al observador, no hay desplazamiento.

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

Desde el punto de vista del lanzador, la frecuencia permanece constante (ya sea que esté lanzando pelotas o transmitiendo microondas). Dado que en la radiación electromagnética, como las microondas o el sonido, la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, esta última también se ve afectada. Por lo tanto, la diferencia relativa de velocidad entre una fuente y un observador es lo que da origen 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 es necesario 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 (${\displaystyle f_{r}}$) en función de la frecuencia original (${\displaystyle f_{t}}$)  :

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

lo cual se simplifica a

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

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

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

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

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

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 sistema 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 eficazmente las señales falsas producidas por árboles, nubes, insectos, aves, viento y otras influencias ambientales; sin embargo, algunos dispositivos de radar Doppler portátiles y económicos que no utilizan este sistema pueden generar mediciones erróneas.

El radar Doppler de onda continua (CW) solo proporciona una velocidad, ya que la señal recibida del objetivo se compara en frecuencia con la señal original. Los primeros radares Doppler utilizaban CW, pero estos rápidamente dieron paso 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 ligeros para su uso en aeronaves, y los procesadores Doppler para radares de pulso coherente se hicieron más comunes. Esto proporciona capacidad de detección y ataque desde arriba . La ventaja de combinar el procesamiento Doppler con radares de pulso es proporcionar información precisa sobre la velocidad. Esta velocidad se denomina velocidad de alcance . Describe la velocidad a la que un objetivo se mueve hacia o desde el radar. Un objetivo sin velocidad de alcance refleja una frecuencia cercana a la del transmisor y no puede ser detectado. El objetivo clásico de Doppler cero es aquel que se encuentra en una dirección tangente al haz de la antena del radar. Básicamente, cualquier objetivo que se dirija a 90 grados en relación con el haz de la antena no puede ser detectado por su velocidad (solo por su reflectividad convencional ).

El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (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. Al investigar 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 pueden mitigarse si se utiliza el filtro adaptado correcto. ^{[ 7 ]}

En aplicaciones aéreas militares, el efecto Doppler ofrece dos ventajas principales. En primer lugar, el radar es más resistente a las contramedidas. Las señales de retorno del clima, el terreno y las contramedidas como las chaff se filtran antes de su detección, lo que reduce la carga de trabajo de los ordenadores y los operadores en entornos hostiles. En segundo lugar, frente a un objetivo a baja altitud, el filtrado basado en la velocidad radial es una forma muy eficaz de eliminar el eco terrestre , que siempre tiene una velocidad nula. Un avión militar que vuele a baja altitud con alerta de contramedidas para la adquisición de la trayectoria del radar hostil puede girar perpendicularmente al radar hostil para anular su frecuencia Doppler, lo que normalmente rompe el enganche y hace que el radar se aleje al ocultarse contra el eco terrestre, que es mucho mayor.

En parte debido a su uso común por parte de los meteorólogos televisivos en los informes meteorológicos en directo, el término específico " radar Doppler " se ha popularizado erróneamente como sinónimo del tipo de radar utilizado en meteorología. La mayoría de los radares meteorológicos modernos utilizan la técnica Doppler pulsada para examinar el movimiento de la precipitación , pero esto es solo una parte del procesamiento de sus datos. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Así pues, aunque estos radares utilizan una forma altamente especializada de radar Doppler , este tipo de radar es mucho más amplio en su significado y sus aplicaciones.

El trabajo sobre la función Doppler para radares meteorológicos tiene una larga historia en muchos países. En junio de 1958, los investigadores estadounidenses David Holmes y Robert Smith lograron detectar la rotación de un tornado utilizando el radar móvil de onda continua (foto a la derecha). El laboratorio de Norman, que más tarde se convirtió en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas (NSSL), modificó este radar para convertirlo en un radar Doppler pulsado, lo que permitió conocer más fácilmente la posición de los ecos y tener mayor potencia ^{[ 15 ].}

El trabajo se aceleró tras un suceso en Estados Unidos como el Superbrote de 1974 , cuando 148 tornados azotaron 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 mesociclónica ni la divergencia de los vientos que provocaban la formación de tornados o microrráfagas . El radar Doppler del NSSL entró en funcionamiento en 1971 y propició el despliegue de la red NEXRAD a finales de la década de 1980. ^{[ 16 ]}

Los radares Doppler se utilizaban como ayuda a la navegación para aeronaves y naves espaciales. Al medir directamente el movimiento del terreno con el radar y compararlo con la velocidad del aire obtenida de los instrumentos de la aeronave, se podía determinar con precisión la velocidad del viento por primera vez. Este valor se utilizaba posteriormente para una navegación a estima de alta precisión . Un ejemplo temprano de este sistema fue el radar Green Satin utilizado en el English Electric Canberra . Este sistema enviaba una señal pulsada a una frecuencia de repetición muy baja, lo que le permitía utilizar una sola antena para transmitir y recibir. Un oscilador mantenía la frecuencia de referencia para compararla con la señal recibida. En la práctica, la posición inicial se determinaba mediante un sistema de radionavegación , normalmente Gee , y el Green Satin proporcionaba una navegación precisa a larga distancia, más allá del alcance de 350 millas de Gee. Sistemas similares se utilizaron en varias aeronaves de la época, ^{[ 17 ]} y se combinaron con los radares de búsqueda principales de los cazas en la década de 1960.

La navegación Doppler se utilizaba comúnmente en la aviación comercial durante la década de 1960 hasta que fue reemplazada en gran medida por los sistemas de navegación inercial . El equipo constaba de una unidad transmisora/receptora, una unidad de procesamiento y una plataforma de antena estabilizada por giroscopio. La antena generaba cuatro haces y era girada por un servomecanismo para alinearse con la trayectoria de la aeronave, compensando el desplazamiento Doppler de las antenas izquierda y derecha. Un síncrono 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 delantero y trasero. Estos datos se mostraban en la cabina de vuelo en un único instrumento. Algunas aeronaves contaban con 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 el efecto Doppler. El ángulo de este motor era controlado por el ángulo de deriva. Dos ruedas fijas, una longitudinal y la otra transversal, accionaban contadores para indicar la distancia a lo largo de la trayectoria y la diferencia transversal. La brújula de la aeronave estaba integrada en el ordenador, lo que permitía establecer una ruta deseada entre dos puntos de referencia en un círculo máximo sobre el agua. Esto supuso una gran mejora con respecto a otros métodos de navegación a estima disponibles en aquel momento. Generalmente, se complementaba con datos de posición obtenidos mediante Loran , VOR , NDB o, como último recurso, sextante y cronómetro. Era posible cruzar el Atlántico con un margen de error de un par de millas cuando se estaba dentro del alcance de un par de VOR o NDB. Su principal inconveniente en la práctica era el estado del mar, ya que un mar en calma proporcionaba señales de radar deficientes y, por lo tanto, mediciones Doppler poco fiables. Sin embargo, esto era poco frecuente en el Atlántico Norte.

• 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 de Computación Ubicua para la Atención Médica . Dublín, Irlanda. pp. 222–225 . doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN  978-1-61284-767-2.