Sebuah kereta bergerak menghampiri alat pengukur kelajuan di tepi jalan. Tanpa menyentuh kereta itu, radar 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 gelombang elektromagnet yang dipantulkan oleh kenderaan bergerak. Prinsip ini dikenali sebagai kesan Doppler.
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 gelombang mikro, iaitu sebahagian daripada spektrum gelombang radio.
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 pantulan. Radar kemudian membandingkan ciri isyarat yang diterima dengan isyarat yang dipancarkan. Bagi radar Doppler, perubahan frekuensi atau fasa yang berkaitan dengan pergerakan sasaran menjadi asas pengukuran halaju.
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 anjakan Doppler.
Bagi radar pegun yang menerima pantulan daripada sasaran bergerak, dengan halaju sasaran jauh lebih rendah daripada kelajuan cahaya, magnitud 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 panjang gelombang 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 halaju jejarian. 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 kesan kosinus.
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.
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 kelajuan perambatan gelombang elektromagnet di udara, yang hampir sama dengan kelajuan cahaya dalam vakum. 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 perubahan fasa 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 atmosfera. 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 isi padu 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 vektor 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.
Sebuah radar pegun menerima gelombang pantulan daripada kenderaan yang bergerak menghampirinya secara langsung. Apakah perubahan yang dijangka berlaku pada frekuensi gelombang pantulan?