Langkau ke kandungan
Sainsuntuk Semua
Fizik / Gelombang Elektromagnet

Bagaimanakah Radar Mengukur Kelajuan Kenderaan Tanpa Menyentuhnya?

Istilah utama: kesan DopplerSebutan: ke-san Dop-plerBahasa Inggeris: Doppler effect

Radar pengukur kelajuan tidak perlu menyentuh kenderaan untuk mengetahui pergerakannya. Alat ini memancarkan gelombang elektromagnet dan menganalisis perubahan pada gelombang yang dipantulkan semula. Prinsip yang membolehkan pengukuran ini dikenali sebagai kesan Doppler.

Sebuah kereta bergerak menghampiri alat pengukur kelajuan di tepi jalan. Tanpa menyentuh kereta itu, boleh menghasilkan bacaan kelajuannya dalam masa yang singkat.

Radar tidak perlu melihat roda berputar atau mengira masa yang diambil kereta untuk melalui dua tanda di jalan. Sebaliknya, radar menggunakan perubahan pada yang dipantulkan oleh kenderaan bergerak. Prinsip ini dikenali sebagai .

Nota Istilahkesan Doppler: Perubahan frekuensi gelombang yang diperhatikan akibat pergerakan relatif.

Radar menggunakan gelombang elektromagnet

Radar ialah sistem yang menggunakan gelombang elektromagnet untuk mengesan objek dan memperoleh maklumat tentangnya. Radar pengukur kelajuan jalan raya lazimnya menggunakan , iaitu sebahagian daripada .

Apabila radar memancarkan gelombang ke arah kenderaan, sebahagian tenaga gelombang itu diserakkan oleh permukaan kenderaan. Sebahagian daripada gelombang yang terserak kembali ke arah antena radar dan diterima sebagai isyarat . Radar kemudian membandingkan ciri isyarat yang diterima dengan isyarat yang dipancarkan. Bagi radar Doppler, perubahan atau fasa yang berkaitan dengan pergerakan sasaran menjadi asas pengukuran .

Apakah kesan Doppler?

Kesan Doppler ialah perubahan frekuensi gelombang yang diterima akibat pergerakan relatif antara sumber gelombang dengan penerima. Dalam sistem radar, perubahan frekuensi juga berlaku apabila gelombang dipantulkan oleh sasaran yang bergerak. Fenomena ini mudah dikenali melalui bunyi siren kenderaan kecemasan. Apabila kenderaan bersiren menghampiri seseorang, nada siren biasanya kedengaran lebih tinggi. Selepas kenderaan melepasi pemerhati dan bergerak menjauh, nada siren menjadi lebih rendah.

Perubahan tersebut berlaku kerana frekuensi gelombang yang diterima berbeza daripada frekuensi yang dipancarkan. Prinsip Doppler juga berlaku pada gelombang elektromagnet, termasuk gelombang radio yang digunakan oleh radar. Namun, terdapat perbezaan penting. Dalam contoh siren, sumber bunyi itu sendiri bergerak. Dalam pengukuran radar pegun, sumber gelombang berada pada radar, manakala kenderaan yang bergerak memantulkan gelombang tersebut. Pergerakan kenderaan menyebabkan frekuensi gelombang pantulan berubah.

Bagaimanakah radar menukar perubahan frekuensi kepada kelajuan?

Bayangkan sebuah radar pegun memancarkan gelombang mikro pada frekuensi tertentu. Apabila kenderaan bergerak menghampiri radar, frekuensi gelombang yang dipantulkan kembali menjadi sedikit lebih tinggi daripada frekuensi asal. Jika kenderaan bergerak menjauhi radar, frekuensi gelombang pantulan menjadi sedikit lebih rendah. Perbezaan antara frekuensi pancaran dengan frekuensi pantulan dinamakan .

Bagi radar pegun yang menerima pantulan daripada sasaran bergerak, dengan halaju sasaran jauh lebih rendah daripada , anjakan frekuensi Doppler boleh dianggarkan menggunakan hubungan |Δf| ≈ 2|vᵣ|/λ, dengan andaian komponen halaju sasaran sepanjang garis pandangan radar tidak berubah dengan ketara semasa pengukuran. Dalam hubungan ini, |Δf| ialah magnitud anjakan frekuensi Doppler dalam hertz, |vᵣ| ialah magnitud halaju jejarian sasaran dalam meter sesaat, dan λ ialah radar dalam meter. Faktor dua muncul kerana pergerakan sasaran mempengaruhi frekuensi gelombang yang diterimanya dan juga frekuensi gelombang pantulan yang kembali ke radar.

Radar boleh menggunakan hubungan ini untuk menganggarkan halaju sasaran. Dalam peralatan sebenar, pemprosesan isyarat diperlukan untuk mengasingkan dan menganalisis isyarat pantulan yang diterima.

Mengapakah sudut pergerakan penting?

Radar Doppler pegun tidak semestinya mengukur keseluruhan kelajuan kenderaan secara langsung. Ia mengukur komponen halaju yang menghala sepanjang garis antara radar dengan sasaran. Komponen ini dinamakan . Jika kenderaan bergerak tepat ke arah radar, magnitud halaju jejarian sama dengan kelajuan kenderaan. Jika kenderaan bergerak pada sudut tertentu terhadap garis pandangan radar, hanya sebahagian daripada halajunya menyumbang kepada anjakan Doppler.

Jika θ ialah sudut antara arah halaju kenderaan dengan garis pandangan dari radar ke sasaran, komponen halaju sepanjang garis itu ialah vᵣ = v kos θ. Untuk magnitud sahaja, tanpa mengira sama ada kenderaan menghampiri atau menjauhi radar, |vᵣ| = v |kos θ|. Sebagai contoh, sebuah kenderaan bergerak pada kelajuan 60 km/j dengan arah pergerakan membentuk sudut 60° terhadap garis pandangan radar. Oleh sebab kos 60° = 0.5, magnitud halaju jejarian ialah 60 × 0.5 = 30 km/j. Oleh itu, radar pegun yang hanya mengukur komponen jejarian akan mengesan magnitud 30 km/j dalam contoh ideal tersebut. Keadaan ini dikenali sebagai .

Contoh ini tidak bermaksud semua radar di tepi jalan akan memaparkan 30 km/j bagi kenderaan yang bergerak pada 60 km/j. Sesetengah sistem radar mempunyai sudut pemasangan yang diketahui dan menggunakan pembetulan geometri untuk menganggarkan kelajuan kenderaan sepanjang jalan. Ketepatan pembetulan ini bergantung pada sudut sebenar antara arah pergerakan kenderaan dengan garis pandangan radar.

Radar pegun memancarkan gelombang ke arah kereta dan menerima gelombang pantulan. Anjakan Doppler memberikan maklumat tentang komponen halaju sepanjang garis pandangan radar. Jika arah pergerakan membentuk sudut dengan garis itu, komponen halaju yang diukur lebih kecil daripada magnitud halaju sebenar. Rajah ialah gambaran ringkas dan tidak mengikut skala sebenar panjang gelombang.

Adakah radar mengukur kelajuan dengan mengukur jarak?

Radar boleh digunakan untuk mengukur jarak, tetapi pengukuran jarak dan pengukuran halaju Doppler melibatkan maklumat yang berbeza. Dalam radar berdenyut, jarak sasaran boleh ditentukan daripada masa perjalanan gelombang pergi dan balik. Jika Δt ialah tempoh perjalanan pergi dan balik denyutan radar, jarak sasaran boleh dianggarkan menggunakan d = cΔt/2, dengan c ialah gelombang elektromagnet di udara, yang hampir sama dengan kelajuan cahaya dalam . Pembahagian dengan dua diperlukan kerana gelombang bergerak dari radar ke sasaran dan kemudian kembali ke radar.

Sebaliknya, radar Doppler boleh menganggarkan komponen halaju daripada anjakan frekuensi atau daripada isyarat pantulan yang diperhatikan mengikut masa. Oleh itu, radar tidak semestinya perlu mengukur dua kedudukan kenderaan secara berasingan sebelum menghasilkan bacaan halaju. Sistem radar tertentu boleh menggabungkan pengukuran jarak dan halaju, bergantung pada reka bentuknya.

Radar cuaca juga menggunakan prinsip Doppler

Prinsip Doppler turut digunakan untuk mengkaji pergerakan hujan dan zarah lain di . Radar cuaca memancarkan gelombang elektromagnet yang diserakkan oleh titisan hujan, hablur ais dan sasaran atmosfera yang lain. Dengan menganalisis perubahan fasa isyarat pantulan antara denyutan berturutan, radar cuaca Doppler boleh menganggarkan halaju jejarian purata zarah penyebar dalam udara yang disampel. Maklumat ini membantu ahli meteorologi menganggarkan pergerakan udara dalam ribut, dengan mengambil kira bahawa halaju zarah yang dikesan tidak semestinya sama sepenuhnya dengan halaju angin, khususnya apabila pergerakan jatuh zarah hujan turut menyumbang kepada bacaan.

Namun, satu radar cuaca Doppler tidak dapat menentukan keseluruhan angin tiga dimensi secara langsung daripada satu ukuran halaju jejarian. Tafsiran pergerakan angin memerlukan maklumat dan analisis tambahan. Halaju jejarian sama dengan komponen penuh halaju sasaran hanya apabila arah pergerakan selari dengan garis pandangan radar.

Radar tidak sentiasa mengukur kelajuan sebenarBacaan radar Doppler asas bergantung pada pergerakan sasaran relatif terhadap radar. Bagi radar pegun tanpa pembetulan sudut, bacaan tersebut berkaitan dengan komponen halaju sepanjang garis pandangan radar. Radar yang dipasang pada kenderaan peronda bergerak pula memerlukan pemprosesan tambahan untuk mengambil kira pergerakan radar itu sendiri. Oleh itu, bacaan kelajuan yang boleh dipercayai memerlukan reka bentuk sistem, pengendalian, pengesahan sasaran dan pengujian prestasi yang sesuai.
Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Sebuah radar pegun menerima gelombang pantulan daripada kenderaan yang bergerak menghampirinya secara langsung. Apakah perubahan yang dijangka berlaku pada frekuensi gelombang pantulan?

Lihat Juga
Versi diterbitkan: