W obliczy zagrożenia militarnego ze strony Rosji celowe jest zapoznanie przyszłych członków Wojsk Obrony  Terytorialnej - WOT z podstawami techniki radarowej w artylerii, która stosuje radary dopplerowskie do pomiaru prędkości początkowej wystrzeliwanych pocisków. Dodatkowym powodem mojego zainteresowania tym problemem jest fakt wyposażenia naszych armato-haubic KRAB w  duński  radar dopplerowski MVRS-700SC Weibel Scient AS, który zapewnia skuteczne korygowania ostrzału na podstawie mierzonej prędkości wylotowej pocisków. Ze względu na duży stopień trudności w przyswojeniu nowej wiedzy z tego zakresu proponuje podzielić zgromadzony materiał patentowy na dwa artykuły. W pierwszym postaram się przedstawić podstawy techniki radarów dopplerowskich, a w drugim spróbuje omówić radar MVRS-700SC, który jest zrealizowany jako radar z falą ciągłą z modulacją częstotliwości (FMCW).

W ramach wstępu muszę odświeżyć zagadnienia z fizyki na poziomie szkoły średniej, a konkretnie efekt Dopplera, który towarzyszy nam na co dzień bez naszej wiedzy. Według Wikipedii: Efekt Dopplera – zjawisko fizyczne występujące dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości fali wysyłanej przez jej źródło oraz częstotliwości fali rejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem tego źródła. 

W praktyce Efekt Dopplera to dobrze znana zmiana dźwięku, która pojawia się, gdy źródło dźwięku porusza się względem słuchacza. Słuchaczowi nieruchomemu wydaje się, że dźwięk staje się wyższy, gdy jego źródło się zbliża, a niższy, gdy się oddala.To tak zwane przesunięcie Dopplera spowodowane jest frontami fal dźwiękowych, które w miarę zbliżania się źródła do słuchacza docierają do niego ze stopniowo zwiększającą się częstotliwością. Wzrostowi częstotliwości towarzyszy spadek długości fali. Naukowcy odkryli, że im wyższa częstotliwość dźwięku, tym wyższy jego ton. Gdy obiekt oddala się od słuchacza, kierunek zmiany jest odwrotny. Częstotliwość maleje, długość fali wzrasta, a pozorny ton dźwięku odbieranego przez słuchacza staje się coraz niższy. Z efektem Dopplera można się łatwo zapoznać, słuchając gwizdka przejeżdżającego pociągu, syren samochodów medycznych i policyjnych czy szumu silników odrzutowych samolotów. Dla dociekliwych proponuje materiał filmowy wyjaśniający efekt Dopplera  na poziomie inżynierskim. https://www.youtube.com/watch?v=u5mTsUHPKKc

US4837718 Doppler radar method and apparatus for measuring a projectile’s muzzle velocity, BAE Systems Aircraft Controls Inc. Yair Alon, Data patentu:6.06.1989.  Wynalazek dotyczy ogólnie sposobów i aparatury do pomiaru prędkości wylotowej pocisku wyrzucanego z lufy armaty, a w szczególności sposobów i aparatury tego rodzaju, które mierzą prędkość za pomocą radaru dopplerowskiego.

FIG.1 jest uproszczonym schematem blokowym urządzenia radaru dopplerowskiego do pomiaru początkowej prędkości wylotowej pocisku wyrzucanego z lufy działa; FIG.2 jest uproszczonym schematem blokowym pokazującym etapy operacyjne wykonywane przez procesor sygnału z FIG.1, w przetwarzaniu informacji obecnych w radarowym sygnale Dopplera w celu określenia prędkości wylotowej pocisku; FIG.3 przedstawia wykres pokazujący widmo częstotliwości jednego przykładowego segmentu czasu radarowego sygnału Dopplera przetwarzanego przez urządzenie z FIG.1, zmienny próg nałożony na wykres i wskazujący na wykrycie jednego pocisku i jednej grupy odłamków; FIG.4 jest schematycznym diagramem pokazującym parę blisko rozmieszczonych, przesuwanych okien, które są wykorzystywane do wytwarzania stałego progu częstości fałszywych alarmów, z którym pomiar częstotliwości fo   jest porównywany przez procesor sygnału z FIG.1;  FIG.5 jest rozszerzonym widokiem części wykresu z FIG.3, gdzie wykazano, że pomiary częstotliwości odpowiadające pociskowi przekraczają odpowiednie progi; FIG.6 jest wykresem pokazującym pomiary prędkości pocisku dla kilku kolejnych okresów czasu, z najmniejszym średnim kwadratowym profilem prędkości błędu również pokazanym i rozszerzonym do momentu wystrzelenia, aby wskazać początkową prędkość wylotową pocisku.

Urządzenie radaru dopplerowskiego  do pomiaru początkowej prędkości wylotowej pocisku 11 wyrzuconego z lufy 13 szacuje prędkość wylotową pocisku w oparciu o kolejne pomiary prędkości wykonane, gdy wystrzelony pocisk szybko oddala się, podczas początkowego  toru pocisku  o zasięgu około tysiąca metrów. Urządzenie zawiera urządzenie radarowe 15 zamontowane na broni, które posiada antenę 17 do transmitowania sygnału radarowego w oczekiwanym kierunku wyrzucanego pocisku. Sygnały zwrotne odbite od pocisku i wszelkich innych obiektów (np. fragmentów 18) znajdujących się na ścieżce sygnałów radarowych są odbierane przez tę samą antenę i skorelowane przez urządzenie radarowe z oryginalnymi sygnałami radarowymi w celu wytworzenia sygnału Dopplera dla wyjście w linii 19.   Powrotne sygnały radarowe odbierane z dowolnego obiektu oddalającego się od lufy 13 działa będą miały częstotliwość niższą niż częstotliwość nadawania o wielkość proporcjonalną do chwilowej prędkości obiektu. Sygnał Dopplera będzie zatem zawierał składową mającą częstotliwość proporcjonalną do tej różnicy. W przeszłości systemy tego rodzaju zwykle mierzyły tę prędkość po prostu zliczając liczbę cykli występujących w sygnale Dopplera w określonym z góry okresie czasu. Nie okazało się to jednak skuteczne w sytuacjach, w których sygnał Dopplera zawiera znaczące składowe częstotliwościowe pochodzące z innych poruszających się obiektów 18  w ogólnym kierunku pocisku będącego przedmiotem zainteresowania 11, co powodowało maskowanie  interesującą składową sygnału Dopplera.

Rozwiązaniem ograniczeń metody pomiaru sygnału Dopplera w dziedzinie czasu jest  cyfrowe przetwarzanie sygnału Dopplera w dziedzinie częstotliwości według wynalazku. Poza klasyczną częścią nadawco odbiorczą 15 urządzenie zawiera przesuwnik poziomu 21 i przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D) 23 do przetwarzania sygnału Dopplera w torze  19 na ciąg słów cyfrowych. Przesuwnik poziomu jest dołączony jedynie w celu zapewnienia, że poziomy napięcia sygnału Dopplera są kompatybilne z przetwornikiem A/D. Przesunięty poziom sygnału Dopplera jest przesyłany z przesuwnika poziomu do konwertera A/C na linii 24. Częstotliwość próbkowania konwertera A/C jest korzystnie rzędu 300 kiloherców, aby zapewnić, że przy standardowej stosowanej częstotliwości radarowej, częstotliwość próbkowania jest co najmniej dwu krotnością najwyższej oczekiwanej składowej częstotliwości sygnału Dopplera.  Zapobiega to błędom aliasingu, które mogłyby prowadzić do niejednoznaczności w pomiarach prędkości pocisku.

Kolejne próbki wykonane przez przetwornik A/C 23 są przesyłane liniami 25 do pamięci o dostępie swobodnym, która jest częścią procesora sygnału 27. Próbki są gromadzone przez około 400 milisekund, po czym procesor sygnału rozpoczyna przetwarzanie próbek w celu określenia prędkość wylotowa pocisku. Po zakończeniu przetwarzania, procesor sygnałowy przesyła pomiar prędkości wylotowej linią 29 do urządzenia wyświetlającego 31, w celu widocznego wyświetlenia. Dodatkowo, pomiar prędkości wylotowej może być również przesłany do urządzenia kierowania ogniem (nie pokazanego na rysunkach), w celu dostosowania kierunku lufy armaty dla kolejnych strzałów.

Wystrzał z lufy działa 13 powoduje jonizację przestrzeni bezpośrednio ją otaczającej. Ta jonizacja, która trwa od około 50 do 100 milisekund, skutecznie uniemożliwia uzyskanie w tym czasie jakichkolwiek istotnych informacji z sygnału Dopplera. Urządzenie zawiera zatem detektor wyzwalający 33 i licznik opóźnień 35 do umożliwienia działania przetwornika A/C 23 tylko po rozproszeniu jonizacji. W szczególności, detektor wyzwalania monitoruje sygnał Dopplera obecny na linii 19 i wykrywa każdy duży wzrost mocy, co wskazuje na odpalenie broni. Odpowiedni sygnał wyzwalający jest następnie przesyłany linią 37 do licznika opóźnień, który odlicza z góry określone opóźnienie rzędu 50 do 100 milisekund, po czym sygnał zezwalający jest przesyłany do konwertera A/C na linii 39.

Zastosowany procesor sygnału 27 przetwarza kolejne próbki sygnału Dopplera przechowywane w jego pamięci o dostępie swobodnym w celu określenia początkowej prędkości wylotowej pocisku. Uproszczony schemat działań etapów operacyjnych, które wykonuje procesor sygnału, przedstawiono na FIG. 2. W początkowym etapie 41 próbki sygnału Dopplera są uporządkowane w K grup po N próbek czasowych każda, gdzie K i N są liczbami całkowitymi, np. odpowiednio 30 i 1024. Każda z K kolejnych grup reprezentuje kolejny segment czasu w sygnale Dopplera. Kolejne kroki na schemacie blokowym będą mierzyć średnią prędkość pocisku podczas każdego takiego odcinka czasu. Obserwując regularny spadek tej prędkości w czasie, można wyprowadzić miarę początkowej prędkości wylotowej pocisku. Po ułożeniu zdigitalizowanych próbek czasu we wcześniej określonej kolejności, procesor sygnału 27 w etapie 43 wybiera pierwszą grupę próbek, która odpowiada pierwszemu segmentowi czasu w sygnale Dopplera. Procesor następnie wchodzi w pętlę, która będzie powtarzana dla każdej z K grup próbek.

W początkowym etapie 45 pętli programu, procesor sygnału 27 oblicza szybką transformatę Fouriera pierwszej grupy N próbek czasowych. Daje to odpowiednią liczbę N pomiarów częstotliwości, tworząc sygnał widma częstotliwości dla pierwszej grupy próbek, a zatem dla pierwszego segmentu czasu sygnału Dopplera. FIGA. 3 przedstawia jeden taki zestaw pomiarów częstotliwości, dla przykładowej grupy N próbek sygnału Dopplera. Kilka pików w przedstawionych pomiarach częstotliwości zostanie odnotowanych, jeden taki pik 47 przy stosunkowo niskiej częstotliwości, drugi pik 49 przy średniej częstotliwości i trzeci pik 51 przy stosunkowo wysokiej częstotliwości. Znaczny poziom szumów  występuje w całym zakresie częstotliwości. Pik 47 niskiej częstotliwości wynika głównie z efektu jonizacji, który występuje po odpaleniu pistoletu 13, jak opisano powyżej. Pik 49 o średniej częstotliwości jest spowodowany obecnością stosunkowo wolno poruszających się fragmentów 18  obecnych na wylocie wystrzału pocisku 11 będącego przedmiotem zainteresowania. Względnie wysoki szczyt 51 częstotliwości wynika z odbicia od pocisku 11 będącego przedmiotem zainteresowania. 

W kolejnym etapie 53, procesor sygnału 27 wykrywa obecność szczytów w cyfrowym widmie częstotliwości z FIG.3 przez porównanie każdego pomiaru częstotliwości z progiem 55, który jest specjalnie dobrany zgodnie z ogólnym poziomem szumów danym przedziale  widma. Ten zmienny próg można nazwać stałym progiem częstości fałszywych alarmów (CFAR- Constant False Alarm Rate). Dla każdej częstotliwości próg CFAR jest wybierany tak, aby stanowił pewien ułamek średniej z wcześniej określonych wielu pomiarów częstotliwości bezpośrednio zarówno powyżej, jak i poniżej danej częstotliwości. Korzystnie stosuje się technikę bramkowania z przesuwnym oknem, w której pomiary częstotliwości po obu stronach danego pomiaru częstotliwości, rozciągające się od dwóch przyrostów częstotliwości do osiemnastu przyrostów częstotliwości, są uśredniane. Ta funkcja bramkowania przesuwnego okna jest przedstawiona schematycznie na FIG.4.

CA-CFAR Cell Averaging Constant  False Alarm Rate  Radar Target detection using Cell Evaluation Method for Industrial Safety – Stały współczynnik fałszywych alarmów (CFAR) jest podstawowym algorytmem detekcji stosowanym do odbieranego sygnału radaru. Algorytm ten określa stały próg na podstawie próbek szumu. Jeżeli jakakolwiek próbka przekracza szacowany poziom progowy, jest deklarowana jako obecna, w przeciwnym razie jest deklarowana jako nieobecna . Detektor CFAR zawiera cztery główne elementy, a mianowicie:• Testowana komórka (CUT-Cell under test); Komórki buforujące G;• Komórki referencyjne R;;• mnożnik CFAR α.

Efektem opisanej powyżej techniki zmiennego progu CFAR jest spowodowanie sztucznego zwiększenia progu 55 dla częstotliwości po obu stronach częstotliwości piku 51 pocisku, ze względu na udział tego piku pomiarowego w tych progach. Zjawisko to jest widoczne na FIG.3, gdzie obserwuje się, że próg generalnie podąża za poziomem pomiarów częstotliwości, z wyjątkiem obszaru szczytów, gdzie wzrasta zasadniczo po każdej stronie szczytów.

W kolejnym kroku 57 programu, procesor sygnału 27 sprawdza poszczególne pomiary częstotliwości, które są określone w kroku 53, aby przekroczyć ich odpowiednie wartości progowe. Zazwyczaj dwa lub trzy sąsiednie pomiary częstotliwości przekraczają swoje progi. Jedna przykładowa sytuacja jest przedstawiona na FIG.5, gdzie pomiary dla kilku sąsiednich częstotliwości są przedstawione w postaci wykresu słupkowego liniami ciągłymi 59, a ich odpowiednie progi są przedstawione liniami przerywanymi 61. W przedstawionym przykładzie trzy sąsiednie pomiary częstotliwości przekraczają ich odpowiednie progi. Dokładniejszy pomiar częstotliwości Dopplera, a tym samym prędkości pocisku, uzyskuje się przez interpolację trzech sąsiednich pomiarów częstotliwości. W szczególności procesor określa średnią ważoną, czyli środek ciężkości, tych sąsiednich pomiarów przekraczających próg. Ta średnia ważona jest wskazana strzałką 63 na FIG.5. Interpolacja w ten sposób daje pomiary prędkości o dokładności co najmniej o rząd wielkości większej niż zapewniana przez pomiary częstotliwości szczytowej, bez interpolacji.

Jak wcześniej wspomniano, progi CFAR 55 będą często przekraczane przez wielokrotne pomiary częstotliwości, które reprezentują nie tylko pocisk będący przedmiotem zainteresowania 11, ale także wolniej poruszające się fragmenty 18 związane z pociskiem. Ponadto, z powodu zniekształceń w sygnale Dopplera wytwarzanym przez urządzenie radarowe 13, czasami mogą również występować harmoniczne tych częstotliwości. Czasami te harmoniczne mogą nawet mieć wystarczającą wielkość, aby spowodować, że ich pomiary częstotliwości przekroczą wartości progowe. Procesor sygnału 27 eliminuje te efekty w etapie 65. W szczególności, procesor sygnału porównuje częstotliwość każdego pomiaru, który przekracza jego odpowiednią wartość progową, z częstotliwościami dowolnych pomiarów niższych częstotliwości, które podobnie przekraczają ich odpowiednie wartości progowe. Jeśli częstotliwości są powiązane harmonicznie, pomiar wyższej częstotliwości jest pomijany.

W kolejnym kroku 67 pętli programu, procesor sygnału 27 określa, czy bieżąca iteracja w  pętli jest ostatnią z K kroków obliczeniowych. Jeśli tak nie jest, procesor zwiększa w kroku 69 do następnej kolejnej grupy próbek sygnału Dopplera i wykonuje kolejne przejście przez pętlę programu, zaczynając od kroku 45. Z drugiej strony, jeśli w kroku 67 zostanie ustalone, że przetworzono wszystkie K grup próbek sygnału Dopplera, procesor sygnału 27 przechodzi do szeregu dodatkowych kroków, w których kolejne pomiary prędkości są dalej przetwarzane w celu uzyskania dokładnego pomiaru prędkości początkowa prędkość wylotowa pocisku. Na tym etapie przetwarzania należy zauważyć, że dla każdego obiektu wykrytego przez urządzenie radarowe 15 przechowywany jest oddzielny plik zawierający do K  kolejnych pomiarów prędkości. Każdy wpis w każdym pliku reprezentuje pomiar prędkości dla konkretnego obiektu w jednym  z  K kolejnych okresów czasu. Ponieważ prędkości pocisku 11 i odłamków 18 generalnie maleją z upływem czasu, te określenia pomiarów prędkości powinny być równomiernie malejące. Przykład tego malejącego wzoru przedstawiono na FIG.6.

W etapie 71 procesor sygnału 27 wybiera konkretną krzywą liniową 72, która najlepiej pasuje do pliku pomiarów ogólnie malejącej prędkości, jak pokazano na FIG.6. Przy dokonywaniu tego wyboru korzystnie stosuje się algorytm najmniejszego błędu średniokwadratowego (LMS-least mean square terror). Zostanie to odnotowane na FIG. 6, że kilka pomiarów prędkości wydaje się znacznie różnić od oszacowania krzywej liniowej LMS. W jednym szczegółowym aspekcie wynalazku procesor pomija te szczególne pomiary prędkości i ponownie oblicza krzywą liniową w oparciu o pozostałe pomiary prędkości, które są przypuszczalnie dokładniejsze. Ten proces eliminowania tych konkretnych pomiarów, które są uważane za zbyt odległe od krzywej LMS, może być kontynuowany iteracyjnie, aż do uzyskania ostatecznej, akceptowalnej krzywej LMS. Ta procedura jest powtarzana dla każdego pliku pomiarów prędkości, tak że dla wszystkich wykrytych poruszających się obiektów, w tym pocisku 11 i wszelkich fragmentów 18, wyprowadzana jest oddzielna krzywa LMS.  W końcu, w kroku 77, procesor sygnału 27 wyświetla na urządzeniu wyświetlającym 31 końcowe określenie prędkości wylotowej pocisku. Ponadto, jak wspomniano pokrótce powyżej, to określenie prędkości wylotowej może być wykorzystane w systemie kierowania ogniem, w którym dokonuje się regulacji kierunku celowania lufy 13 dla kolejnych strzałów.

 PL168591 Radiolokacyjna stacja balistyczna do pomiaru prędkości, zwłaszcza pocisków, WITU, Jarosław Sahajda et al. Data patentu:29.03.1996. Przedmiotem wynalazku jest radiolokacyjna stacja balistyczna do pomiaru prędkości obiektów, zwłaszcza pocisków wykorzystująca zjawisko Dopplera.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, którego fig.1 przedstawia schemat blokowy radiolokacyjnej stacji balistycznej, fig.2 – schemat blokowy zespołu generatora z pętlą fazową oraz zespołu filtrów  kwarcowych, fig.3 – schemat blokowy zespołu przetwarzania sygnałów cyfrowych. 

Radiolokacyjna stacja balistyczna przedstawiona na rysunku fig.1 składa się z bloku antenowo-nadawczo-odbiorczego I, detektora wystrzału II, bloku obróbki analogowo-cyfrowej III, który zawiera część analogową IV oraz cyfrową V. Blok antenowo-nadawczo-odbiorczy I składa się z nadajnika 1, anteny 2 cyrkulatora 3, mieszacza mikrofalowego 4 oraz przedwzmacniacza pasmowego 5, przy czym nadajnik 1 połączony jest, poprzez cyrkulator 3, z anteną 2 i mieszaczem mikrofalowym 4 połączonym z przedwzmacniaczem pasmowym 5. Część analogowa IV bloku obróbki analogowo-cyfrowej III zawiera zespół filtrów aktywnych  6, zespół filtrów kwarcowych 7 oraz zespół generatora z pętlą fazową 8. Część cyfrowa V bloku obróbki analogowo-cyfrowej III składa się z zespołu przetwarzania sygnałów cyfrowych 9, modułu mikroprocesora 10, modułu zobrazowania 11 i modułu klawiatury 12 połączonych szyną adresową, danych, sterowania z modułem mikroprocesora 10. W części analogowej IV zespół filtrów aktywnych 6, zespół filtrów kwarcowych 7 oraz zespół generatora z pętlą fazową 8 połączony jest z modułem mikroprocesora 10 w części cyfrowej V szyną adresową, danych, sterowania ADC, co zapewnia wybór filtrów o zadanych charakterystykach częstotliwościowych spośród poszczególnych zespołów filtrów, zgodnie z programem obsługi urządzenia realizowanym przez moduł mikroprocesora w przypadku pomiaru częstotliwości sygnału dopplerowskiego odpowiadającego, przewidywanej prędkości początkowej pocisku.  Zespół generatora z pętlą fazową 8, przedstawiony na fig.2, składa się z generatora z pętlą fazową 18 połączonego, poprzez zestaw filtrów piezoelektrycznych 17   i  mieszacz podwójnie zrównoważony 16, z zespołem filtrów kwarcowych 14 oraz poprzez bierny filtr pasmowy 20 mieszacz podwójnie zrównoważony 23, filtr dolnoprzepustowy 24 z układem standaryzacji sygnału dopplerowskiego 25. W skład zespołu 8 wchodzą również mieszacz podwójnie zrównoważony 21 połączony z heterodyną 15 w zespole filtrów kwarcowych 7 oraz heterodyną kwarcową 19. Zespół filtrów kwarcowych 7, przedstawiony również na fig.2, składa się z zestawu filtrów kwarcowych 14, mieszacza podwójnie zrównoważonego 13 i  heterodyny 15, przy czym zestaw filtrów kwarcowych 14 połączony jest, poprzez mieszacz podwójnie zrównoważony 13, z wejściem sygnału dopplerowskiego Fd oraz z heterodyną 15.

Działanie radiolokacyjnej stacji balistycznej według wynalazku polega na ty, że nadajnik 1 generuje sygnał ciągły niemodulowany w.cz przesyłany do anteny 2 przez cyrkulator trójramienny 3. Sygnał odebrany z anteny 2 dochodzi do mieszacza 4, do którego przesyłany jest również sygnał nadajnika 1 odbity od celowo wprowadzonego do traktu antenowego niedopasowania. W wyniku procesu przemiany częstotliwości w mieszaczu 4 uzyskuje się na jego wyjściu między innymi składową dopplerowską sygnału odbitego Fd od pocisku, której częstotliwość jest wprost proporcjonalna do jego prędkości początkowej. Sygnał dopplerowski Fd po przejściu przez przedwzmacniacz pasmowy 5 podawany jest na wejście wybranego filtru aktywnego, w zespole filtrów aktywnych 6, w części analogowej IV bloku obróbki analogowo-cyfrowej, którego wybór zostaje dokonany automatycznie przez moduł mikroprocesora 10 na podstawie wprowadzonych przy pomocy klawiatury danych o przewidywanej prędkości początkowej pocisku. Sygnał dopplerowski Fd podlega następnie procesowi filtracji w wybranym filtrze kwarcowym zestawu filtrów 14 współpracującym z mieszaczem podwójnie zrównoważonym 13 oraz heterodyną Fh, 15.  Z uwagi na szeroki zakres mierzonej częstotliwości dopplerowskiej Fd zastosowanie przestrajanej heterodyny Fh, 15 oraz  mieszacza podwójnie zrównoważonego 13 do przesunięcia częstotliwości sygnału dopplerowskiego Fd  w  zakres częstotliwości F1 = Fh-Fd  pokrywających się  z charakterystyką  częstotliwościową wybranego filtru kwarcowego zestawu filtrów kwarcowych 14, pozwala na uniknięcie konieczności stosowania dużej liczby wąskopasmowych filtrów kwarcowych. Sygnał F1 = Fh-Fd    z  zespołu filtrów kwarcowych 7 podawany jest do generatora z pętlą fazową 8, gdzie podlega przemianie częstotliwości w mieszaczu podwójnie zrównoważonym 16 połączonym z heterodyną kwarcową FH, 19.   Z wyjścia mieszacza podwójnie zrównoważonego 16 sygnał F2 = FH – (Fh-Fd) podawany jest poprzez wybrany filtr piezoelektryczny zespołu filtrów piezoelektrycznych 17 na generator z pętlą fazową 18 w celu jego filtracji od zakłóceń i zaników. Sygnał dopplerowski Fd po standaryzacji w układzie 25 przesyłany jest do zespołu przetwarzania sygnałów cyfrowych 9 w części cyfrowej V bloku obróbki analogowo-cyfrowej III. Sterowanie pracą zespołu filtrów kwarcowych 7 oraz zespołu generatora z pętlą fazową 8 polega na wyborze filtru kwarcowego i piezoelektrycznego oraz wyznaczeniu częstotliwości heterodyny Fh, 15 za pomocą szyny adresowej, danych, sterowania modułu mikroprocesora 10. Proces pomiaru częstotliwości sygnału dopplerowskiego Fd, odpowiadającej określonej prędkości początkowej pocisku polega na zliczaniu liczby impulsów sygnału Fc zegarowego przez liczniki programowalne 31 i 32 w czasie trwania określonej liczby okresów powtarzania sygnału dopplerowskiego Fd, zliczanej przez licznik programowalny 28.  Algorytm wyznaczania prędkości początkowej pocisku wykorzystuje założenie o jednostajnie opóźnionym ruchu pocisku wzdłuż toru lotu na początkowym odcinku toru lotu. Przyjęcie tego założenia pozwala ekstrapolować oczekiwaną wartość prędkości w punkcie wylotu lufy za pomocą linii prostej wyznaczonej przez N wartości mierzonej prędkości wewnątrz kolejnych N bramek dopplerowskich odpowiadających N odcinkom toru lotu pocisku o stałej w przybliżeniu długości. Prędkość lotu pocisku na N tym odcinku wyznaczona jest za pomocą zliczania ilości impulsów zegarowych wewnątrz N-tej bramki dopplerowskiej odpowiadającej K okresom sygnału dopplerowskiego Fd.

WNIOSKI

Efekt Dopplera stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczny jest pomiar prędkości obiektów, które mogą emitować lub odbijać fale. Głównym warunkiem pojawienia się tego efektu jest ruch źródła fal i odbiornika względem siebie. Radar dopplerowski to urządzenie, które emituje falę radiową, a następnie mierzy częstotliwość fali odbitej od poruszającego się obiektu. Pomiar zmian  częstotliwość sygnału odbitego od poruszającego się obiektu, określa  jego. Takie radary są wykorzystywane przez policję drogową do identyfikowania pojazdów naruszających dozwoloną prędkość. Efekt Dopplera jest wykorzystywany nawigacji morskiej i powietrznej, w detektorach ruchu w systemach bezpieczeństwa, do pomiaru prędkości wiatru i chmur w meteorologii itp. Często słyszymy o takim badaniu w kardiologii, jak echo kardiografia dopplerowska. Efekt Dopplera służy w tym przypadku do określenia prędkości ruchu zastawek serca, prędkości przepływu krwi. W praktyce efekt Dopplera  łatwo to zaobserwować, gdy obok obserwatora przejeżdża samochód z włączoną syreną. Załóżmy, że syrena wydaje pewien dźwięk, który się nie zmienia. gdy samochód nie porusza się względem obserwatora, bo słyszy dokładnie ten dźwięk, który emituje syrena. Ale jeśli samochód zbliży się do obserwatora, wówczas częstotliwość fal dźwiękowych wzrośnie (a ich długość zmniejszy się),czyli obserwator usłyszy ton wyższy niż faktycznie emituje syrena. W tym momencie, gdy samochód przejedzie obok obserwatora, usłyszy ten sam ton, który faktycznie emituje syrena. A gdy samochód jedzie dalej i już będzie się oddalał, a nie zbliżał, obserwator usłyszy niższy ton, ze względu na niższą częstotliwość (i odpowiednio większą długość) fal dźwiękowych. W przypadku fal rozchodzących się w jakimś medium (np. dźwięku) należy wziąć pod uwagę ruch zarówno źródła, jak i odbiornika fal względem tego medium. Dla fal elektromagnetycznych (np. światła), do rozchodzenia się których nie jest potrzebne żadne medium, liczy się jedynie względny ruch źródła i odbiornika. Wracając do głównego celu  jakim jest popularyzacja wiedzy z zakresu zastosowania radarów Dopplerowskich w artylerii polecam dwa artykuły z tej dziedziny, ogólnodostępne w Internecie.

URZĄDZENIA DO POMIARU PRĘDKOŚCI POCISKÓW ARTYLERYJSKICH, Jacek PIONTEK. Sławomir KRZYŻANOWSKI,https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-article-BATA-0013-0059/c/httpwww_wso_wroc_plimagesplikiwpikbnzn2011zn2201104krzyzanowski.pdf

PRZEGLĄD AKTUALNIE STOSOWANYCH ROZWIĄZAŃ W DZIEDZINIE RADIOLOKACJI DOPPLEROWSKIEJ, dr inż. Mariusz BODJAŃSKI  https://bibliotekanauki.pl/api/full-texts/2020/12/11/8b03d984-ce9b-4b34-8126-1d7720a9bda9.pdf

Doppler RADAR or Continuous wave RADAR in RADAR Engineering by Engineering Funda

 

Doppler Effect and its Application Radar speed gun   https://youtu.be/B6YbbCr0T6A