7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.2. Hiệu ứng Doppler
Trong công nghệ radar[4], Hiệu ứng Doppler đang sử dụng cho các nhiệm vụ sau:
MTI (Moving Target Indication) Dùng để hiển thị mục tiêu di động, nhằm phân biệt giữa mục tiêu cố định và mục tiêu di động.
Trong các hệ thống radar trên không hoặc trên không gian để xác định chính xác khoảng cách.
Hình 1.8: Sự dịch pha của tín hiệu thu đƣợc
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi rõ ràng về tần số hoặc cường độ khi một nguồn âm thanh di chuyển về phía hoặc ra khỏi người nghe hoặc khi người nghe di chuyển về phía hoặc ra khỏi nguồn âm thanh. Nguyên lý này, được phát hiện bởi nhà vật lý người Áo Christian Doppler, áp dụng cho tất cả các chuyển động sóng
Sự thay đổi rõ ràng về tần số giữa nguồn phát sóng và máy thu là do chuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng và máy thu. Để hiểu hiệu ứng Doppler, trước tiên, giả sử rằng tần số của âm thanh từ một nguồn phát sóng được giữ không đổi. Bước sóng của âm thanh cũng sẽ không đổi. Nếu cả nguồn phát sóng và máy thu âm vẫn đứng yên, máy thu sẽ nghe cùng một âm tần số do nguồn phát ra. Điều này là do máy thu đang nhận cùng số sóng trong thời gian mỗi giây mà nguồn phát sóng phát ra.
máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanh lớn hơn trong một giây và diễn giải số lượng sóng lớn hơn là âm thanh tần số cao hơn. Ngược lại, nếu nguồn phát và máy thu tách rời nhau, máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanh nhỏ hơn mỗi giây và sẽ cảm nhận được âm thanh tần số thấp hơn. Trong cả hai trường hợp, tần số của âm thanh do nguồn phát ra sẽ không đổi.
Ví dụ, tần số của tiếng còi trên một chiếc xe chuyển động nhanh có âm thanh ngày càng cao hơn khi chiếc xe đang đến gần hơn khi chiếc xe đang khởi hành. Mặc dù tiếng còi đang tạo ra các sóng âm thanh có tần số không đổi, và mặc dù chúng truyền qua không khí với cùng vận tốc theo mọi hướng, khoảng cách giữa xe đang đến và người nghe đang giảm dần. Do đó, mỗi sóng có khoảng cách di chuyển ít hơn để đến được người quan sát so với sóng trước đó. Do đó, sóng đến với khoảng thời gian giảm dần giữa chúng.
(1.25) Trong đó là tần số Doppler [Hz].
λ là bước sóng [m].
tốc độ của mục tiêu [m/s].
Phương trình này là hợp lệ, nếu tốc độ nếu nguồn của sóng giống như tốc độ hướng tâm. Nhưng máy bay thường bay theo hướng khác hơn là hướng tới radar. Chỉ có tốc độ xuyên tâm cũng được đo. Tuy nhiên, điều này khác với tốc độ ngắm sao cho phương trình sau là hợp lệ:
(1.26) λ là góc giữa hướng của tín hiệu truyền / phản xạ và hướng bay của mục tiêu
Đạo hàm của công thức tần số Doppler
Sự dịch pha của sóng điện từ anten radar đến mục tiêu và phản xạ trở lại như sau:
là lệch pha giữa tín hiệu truyền và tín hiệu thu được.
là khoảng cách: đường đi và đường về.
là chu kỳ dao động. Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm
(1.28) sau đó giá trị của pha thay đổi thành
(1.29) Điều này tương đương với tần số Doppler :
(1.30)
(1.31) Trong đó là tần số máy phát
c là tốc độ ánh sáng.
là tốc độ hướng tâm của mục tiêu.
Điều này có nghĩa: Trong thực tế tần số dịch Doppler xảy ra hai lần tại một radar. Một lần trên đường từ radar đến mục tiêu, và sau đó cho năng lượng phản xạ (và đã bị ảnh hưởng bởi năng lượng dịch Doppler) trên đường trở về.
Tần số dịch Doppler chuẩn hóa
Tần số dịch Doppler phụ thuộc vào hai biến số: tốc độ hướng tâm và tần số sóng mang của máy phát radar. Nếu tần số của máy phát không đổi, thì tần số dịch Doppler là thước đo tốc độ xuyên tâm. Radar hiện đại là radar đa dạng tần số là chủ yếu. Tần số máy phát không phải là hằng số. Ở đây ảnh hưởng của các tần số truyền khác nhau thường vẫn còn thấp. Nhưng nếu tần số truyền ở các dải tần khác nhau, thì việc xử lý tín hiệu radar phổ biến là không thể. Trong xử lý tín hiệu radar kỹ thuật số, tần số dịch Doppler sẽ được chia cho tần số truyền thực tế để loại bỏ ảnh hưởng của các tần số truyền khác nhau sau đó: