что такое доплеровский датчик
Как работает радиоизмеритель скорости
Современным самолетам ориентироваться в пространстве помогает ДИСС – доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса. Первое такое устройство в нашей стране было разработано еще в 1950 году в ЦКБ-17, нынешнем концерне «Вега» холдинга «Росэлектроника». Здесь же создавались первые ДИСС для вертолетов и … луноходов.
Из самого названия прибора видно, что его работа основана на эффекте Доплера – физическом явлении, которое мы все когда-либо наблюдали. Кстати, на практике этот интересный эффект позволяет определить не только скорость самолета, вертолета или космического аппарата, но и то, что недоступно для прямого измерения – скорость планет и галактик или крови, бегущей по сосудам.
О том, что такое эффект Доплера и как устроен измеритель скорости на его основе – в нашем материале.
Эффект Доплера: умное эхо
В 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.
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.
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 лидер а 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.
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.
События, связанные с этим
Тепловизор: картинка в инфракрасном цвете
Александр Пистолькорс – патриарх радиотехники
Умный многофункциональный KNX датчик Doppler motion sensor
Добрый день уважаемые гики, сегодня хотел бы рассказать Вам об одном из многофункциональны датчиков системы автоматизации зданий HDL Buspro HDL-MSOUT.4W, который кстати теперь доступен не только для протокола Buspro, но и для KNX/EIB.
Итак, перед нами микроволновый датчик, или как его еще называют датчик доплера, был разработан для размещения на открытом воздухе, у которого имеется встроенный датчик освещенности, датчик влажности, температурный датчик, кроме того он имеет сухие контакты и поддерживает функцию универсальных свитчей(переключателей).
Doppler motion sensor
Для определения движения могут использоваться различные технологии, но микроволновый или, так называемый, доплеровский метод в настоящее время является наиболее продвинутым и эффективным.
Микроволновый датчик способен:
Определять или проникать сквозь любой не металлический объект или препятствие;
Работать в запыленной или запорошенной песком среде;
Кроме того, дополнительным преимуществом этого датчика, считаю, минимальный срок службы, заявленный производителем – более 100000 часов:
Казалось бы, не так то много, но это гораздо дольше, по сравнению с обычными ИК-датчиками движения у которых производители заявляют 90000 часов.
Прочность корпуса.
Корпус, изготовленный из Акрилонитрил-стирол-акрилата имеет огромную прочность, устойчив к воздействию химикатами, не восприимчив к перепадам температуры и изменениям погодных условий, поэтому датчик может быть установлен практически в любом месте.
Всё это гарантирует долгий срок эксплуатации модуля и работу в самых жестких условиях.
Управление логикой.
Еще более высокий уровень универсальности достигается за счет использования входов мульти-логики, что позволяет применять модуль в множестве различных сценариев и выдавать события для более чем 480 целей.
Например, если модуль обнаружил движение, могут: включиться охранное освещение, закрыться ставни, сработать охранная сигнализация, отправлено СМС сообщение на указанный телефон и уведомлена служба безопасности. Единственным ограничением по созданию различных сценариев является только Ваше собственное воображение.
Многофункциональность.
Как я уже говорил, с помощью данного датчика можно легко получить информацию о температуре, освещенности, влажности и движении. Это позволяет нам мониторить основные условия окружающей среды, а также предупредить хозяина дома о потенциальных злоумышленниках, а ложные сигналы тревоги, которые часто возникают из-за движения домашних животных можно с легкостью устранить благодаря регулируемой чувствительности движения.
Интеграция с системами безопасности.
Датчик так же можно интегрировать с абсолютно любой существующей системой безопасности или системой оповещения благодаря встроенным модулям сухих контактов. Это позволяет модулю использовать в качестве системы безопасности Вашего дома не только решения от HDL, но и любые другие решения по безопасности от сторонних производителей, используемые подключение типа сухой контакт.
Немного подробнее о функционале.
Датчик имеет логику OR, AND. На борту 24 логических блока, и истиная и ложная логика может привести к какому-либо настраиваемому сценарию. Каждый логический блог позволяет применять модуль в множестве различных сценариев и выдавать события для 20 целей.
Регулируемая микроволновая чувствительность в диапазоне от 1 до 100.
Вся логика поддерживает триггер с задержкой времени от 0 до 3600 секунд.
Диапазон унивирсального свитча в ряде логики 201-248, вся логика имеет 2 универсальных switch номера, универсальный свитч может закрываться автоматически с задержкой времени 1-3600 секунд.
На программном уровне прошивка постоянно обновляется и периодически добавляется что-то новое.
60°C
Детекция освещения: 0
15000LUX
Детекция влажности 20
95％RH
Микроволновая детекция: H:7m D:10m L:6m
Принципиальных отличий KNX датчика от Buspro практически нет, но KNX датчик способен определять движение на расстоянии до 20 метров!
Это очень большой диапазон, обеспечивающий прежде всего защиту здания, любые злоумышленники будут обнаружены задолго до приближения к цели. Датчик действительно имеет больший диапазон и более чувствительный чем ультразвуковые и PIR датчики.
Подключение доплеровского датчика движения RCWL-0516 к Arduino
Обнаружение движения является одной из важнейших функций в системах охранной сигнализации, выключателях света и многих других домашних и промышленных применениях. Для обнаружения движения можно использовать несколько подходов, например, PIR датчик, который обнаруживает изменение инфракрасной энергии, выделяемой телом человека, и на основании этого способен обнаруживать наличие человека в контролируемой зоне.
В этой статье мы рассмотрим подключение доплеровского датчика движения (Doppler Radar Sensor) RCWL-0516 к плате Arduino Nano. RCWL-0516 представляет собой датчик обнаружения движения, который обнаруживает движение объектов, которые полностью или частично отражают радиоволны (даже если они находятся за стенами или другими материалами). Он способен обнаруживать не только людей, но и другие движущиеся объекты. Еще RCWL-0516 называют микроволновым датчиком движения или датчиком движения на эффекте Доплера.
Необходимые компоненты
Доплеровский датчик движения (Doppler Radar Sensor) RCWL-0516
Распиновка датчика показана на следующем рисунке. 
Назначение контактов датчика RCWL-0516:
Выход «OUT» можно подключать к любому контакту платы Arduino. Вход «COS» можно оставить не подключённым, т.к. он подтянут внутренним сопротивлением чипа, следовательно, разрешает работу триггера. Напряжение питания датчика составляет от 4 до 28 В постоянного тока, подаётся на выводы «VIN» и «GND» модуля.
Предупреждение : не подключайте питание к выходу «3V3» датчика! Контакт датчика «3V3» является выходом стабилизированного напряжения 3,3 В. От этого напряжения можно запитывать другие маломощные устройства, например, микроконтроллер.
Когда датчик срабатывает, на его выходе «OUT» устанавливается уровень логической «1». Датчик снабжен триггером, который удерживает уровень логической «1» на выходе «OUT» в течении 2 сек ±30% после прекращения движения.
Если датчик многократно срабатывает, например, постоянно фиксирует движения в течении 10 секунд, то уровень логической «1» на выходе «OUT» будет установлен на 12 секунд с момента первого срабатывания (10 секунд во время фиксации движений + 2 секунды после их прекращения, пока не «сбросится» триггер).
Технические характеристики датчика RCWL-0516:
Схема проекта
Схема подключения доплеровского датчика движения RCWL-0516 к плате Arduino представлена на следующем рисунке.
Как видите, схема подключения датчика RCWL-0516 к плате Arduino достаточно проста: его контакты VIN и GND соединяются с контактами 5V и GND платы Arduino Nano, а его выход (контакт OUT) соединяется с контактом D12 платы Arduino Nano. Светодиод подключен к контакту D3 платы Arduino Nano.
Внешний вид собранной на макетной плате конструкции проекта показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
В коде программы сначала объявим используемые контакты.
Допплеровский измеритель скорости
Принципы частотно-модулированной радиолокации с постоянной частотой несущей используются в интерферометрии для измерения расстояния до объектов и их скорости. Это достигается путём передачи ЧМ сигнала и измерения разницы в частоте между задержанным принятым и передаваемым согналами. Основное внимание в этом проекте было уделено разработке и внедрению схем делителя мощности и микшера. Архитектура радара показана ниже.
Архитектура радара на допплеровском эффекте
Разветвитель представляет собой направленный ответвитель со связанными медными микрополосковыми линиями. Когда электрический ток проходит по микрополосковой линии печатной платы, появляются электрическое и магнитное поля между микрополосковой и заземляющей плоскостями на противоположной стороне диэлектрической подложки. В центре микрополоски электрическое поле однородно, но по направлению к краю микрополосковой линии оно перетекает наружу, распространяясь через её границу. Этот эффект позволяет объединять энергию двух микрополосковых линий, физически расположенных близко друг к другу. В случае силовых ответвителей и сплиттеров это весьма выгодно, и, регулируя расстояние между ними, можно отрегулировать количество энергии, проходящее между ними, до желаемой величины.
Используя Qucs — универсальный симулятор цепи, авторы рассчитали размеры для микрополоскового соединителя и самих микрополосок на печатной плате. Часть из них выполняли роль трансформаторов волнового сопротивления 50 Ом.
Вертикальная ось — это величина затухания в дБ, а горизонтальная ось — это частота в Гц.
Авторы изготовили опытный образец на подложке из СВЧ стеклотекстолита FR-1 и измерили параметры рассеяния с помощью сетевого анализатора. Прототип показан ниже.
Прототип разветвителя
Созданный прототип не был точно настроен на частоту 2,4 ГГц и имел достаточно высокий коэффициент отражения (-10 дБ), однако связь по мощности (-17 дБ) и передача (-7 дБ) были очень приличными. Часть потерь очевидно определялась слабой связью между разъёмами SMA и PCB.
Схема микшера состоит из суммирующего микшера и RC-цепи полуволнового выпрямителя для выделения огибающей. Суммирующий микшер — это силовой сумматор Уилкинсона, который обладает прекрасным свойством изоляции портов, два входных порта (справа на рисунке) разделены на полволны (1,2 ГГц) через сумматор и резистор.
Прототип микшера
После тестирования прототипов авторы разработали плату, объединяющую все модули, показанные выше на структурной схеме. Плата была вытравлена на подложке из стеклотекстолита FR-4, которая имеет примерно такую же относительную диэлектрическую проницаемость, как и FR-1.
Изображение платы после травления с тонером
Доработка горячим воздухом для удаления тонера
Когда авторы наконец закончили монтаж платы и подключили её к функциональному генератору, подающему напряжение настройки на ГУН и к осциллографу, измеряющему напряжение на выходе микшера, они не смогли измерить никакого тона биений, даже с высокоотражающим металлическим угловым «кубом» (показан ниже).
Угловой «куб» для отражения волны
В конечном итоге после проверки практически всех возможных частот модуляции и размещения платы в экранирующую коробку, было установлено, что перемещение отражателя приводило к биению с частотой, прямо пропорциональной скорости движения отражателя.
Этот результат подтвердил, что делитель мощности и микшер работали, таким образом был спроектирован допплеровский радар. Движущийся отражатель создает допплеровский сдвиг, так что принимаемый сигнал имеет частоту, отличную от передаваемого сигнала, которую авторы смогли измерить с помощью микшера.
Физические эффекты в основе работы датчиков и радиомаяков
Все передовые системы помощи водителю оснащены автомобильными радарами. Радары используют электромагнитные волны для сканирования окружающей среды, поэтому они могут работать на большом расстоянии в условиях недостаточной видимости или плохих погодных условий. Очевидно, что автомобильные радары должны точно фиксировать различные дорожные ситуации.
Радарные системы современных автомобилей используются для выполнения автоматического экстренного торможения и адаптивного круиз-контроля. Другими словами, беспроводной датчик должен предоставить транспортному средству информацию, касающуюся расстояния до цели и скорости.
Совокупность приведенных выше факторов окажет влияние на действие автомобиля и на его систему принятия решений. Различные входные данные будут давать совершенно разные решения, в зависимости от того, какая цель находится на пути следования беспилотного транспорта.
По мере внедрения технологий, позволяющих отвечать на данные вопросы, технология автомобильных радаров будет использоваться не только для аварийного торможения и круиз-контроля, но и для более «интеллектуальных» действий.
Перед внедрением подобных систем, они должны будут пройти качественное и полнофункциональное испытание. При этом понадобятся как аппаратные (стендовые) модели, так и виртуальные модели. Аппаратное моделирование имеет большое значение на этапе проектирования датчика, а моделирование становится более актуальным при проверке и тестировании характеристик радарного датчика в реальном мире.
Кроме того, необходимо будет проверить работу радарного датчика в тех случаях, которые могут оказаться слишком опасными для жизни людей, или дорогостоящими для физических испытаний. Существует статистика, согласно которой автономный автомобиль должен проехать около 14 миллиардов километров прежде чем дойдет до клиента. Зачастую, моделирование становится единственным способом достижения этой цели и единственной возможностью протестировать работу автомобильных радарных датчиков в различных случаях.
Совокупность автомобильных радаров помогает автомобилю и его бортовому компьютеру принять правильные решения. При этом анализируются наборы данных, полученные с применением таких физических эффектов как Микро-Доплеровское рассеяние и Доплеровский эффект.
Эффект Доплера и определение дальности
Радарные датчики определяют дальность до цели, посылая электромагнитную волну и воспринимая отраженной сигнал. Задержка во времени между передачей и приемом отраженного сигнала может использоваться для расчета дальности до цели.
Для определения скорости цели радар использует эффект Доплера, измеряя изменение частоты отраженного сигнала. Однако для этого радарный датчик должен излучать несколько импульсов в интервале когерентной обработки (CPI), чтобы определить изменение частоты. На рисунке ниже представлена доплеровская карта дальности, полученная средствами моделирования:
Азимут и направление прибытия
Наряду с определением дальности и скорости цели, транспортным средствам, перемещающимся в сложных городских условиях, необходимы датчики с высоким разрешением по азимуту и высоте.
Автомобильные радарные датчики могут определять направление прибытия цели с помощью нескольких передатчиков/приемников, которые физически разделены. Поскольку расстояние между антеннами уже известно, направление цели можно определить путем измерения фазового сдвига между сигналами, принимаемыми каждой из антенн, установленных с разных направлений.
Микро-Доплеровское рассеяние
Ранее упоминалось, как относительное движение между транспортным средством, на котором установлен радарный датчик, и целью в окружающей среде изменяет частоту отраженного сигнала. Это эффект Доплера. Компонент скорости обычно представляет собой объемное движение всей платформы. Если на цели есть дополнительные компоненты, которые обладают вращательным или колебательным движением, они могут вызывать так называемые микродвижения, которые могут дополнительно модулировать отраженный сигнал. Эта дополнительная модуляция отраженного сигнала называется микро-Доплерровским рассеянием.
Например, цель в виде человека обладает собственной скоростью движения (движение туловища). Ноги и руки создают свои собственные колебательные микродвижения, которые приводят к уникальной микродоплеровской сигнатуре. Именно эта сигнатура и позволяет распознавать людей на дорогах.
Внизу изображена сцена движения (слева) и спектрограмма (справа) пешехода, идущего естественным образом, с размахивающими движениями рук и ног. То есть микро-допплеровский эффект, производимый руками и ногами, модулирует обратные сигналы.
Увеличение дальности передачи радиосигнала
Для внедрения вышеописанных эффектов в беспилотные системы, возможно, даже не придется изобретать новые беспроводные технологии. Разработанных на данный момент более чем достаточно. Системы датчиков и радиомаяков смогут работать на основе технологии Bluetooth. В последнее время возможности данной технологии становятся все шире. К тому же на примере Bluetooth была продемонстрирована возможность увеличения дальности передачи сигнала.
Когда заходит речь о Bluetooth, чаще вспоминаются такие вещи, как беспроводные наушники, компьютерные мыши и другие устройства, в которых используется технология малого радиуса действия с низким энергопотреблением. В конце концов, именно для таких вещей и был разработан Bluetooth, как альтернатива Wi-Fi.
Но как отправить сигнал Bluetooth на расстояние более 30 километров? Как правило, расстояние Bluetooth ограничено, потому что передача на большие расстояния требует высокой мощности, а использование нелицензированного спектра означает, что чем больше расстояние, тем выше вероятность того, что он будет мешать другим беспроводным сигналам. Ответ заключается в точной настройке устройства в диапазоне Bluetooth. Это тот же принцип, по которому работает сильно сфокусированный лазерный луч. Лазерный луч будет распространяться дальше без ослабления и без необходимости восстановления, если все составляющие луча будут располагаться как можно ближе к определенной частоте. Таким образом, данные могут отправляться и приниматься маяками, не мешая другим устройствам и не требуя огромного количества энергии.
Технология Bluetooth, передавая сигналы на столь значительное расстояние сможет послужить хорошей альтернативой RFID-меток. RFID-метки не предоставляют активной информаций об объектах, тогда как Bluetooth может не только определить, где что-то находится, он может отправлять обновления об оборудовании, которое требует обслуживания или просто требует регулярной проверки. Кроме того, а в случае RFID-метками кто-то все равно должен участвовать в сканировании (человек, либо роботизированное устройство), а при использовании Bluetooth такая необходимость отсутствует.