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 лидера 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.
Новое поколение ДИСС производства «Росэлектроники» находит применение в современной авиатехнике, космических аппаратах, крылатых и баллистических ракетах. Недавно холдинг был награжден премией «Авиастроитель года» в номинации «За успехи в развитии диверсификации производства в условиях импортозамещения» за разработку вертолетного доплеровского измерителя скорости и сноса, совмещенного с высотомером (ДИСС-ВГ). Прибор также был представлен на выставке HeliRussia-2019 .
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
Источник
Доплеровский измеритель
Доплеровский измеритель — общее название технических средств для измерения линейной скорости с помощью эффекта Доплера. Применение эффекта Доплера позволяет измерять скорость не только твёрдых тел, но и газообразных, жидких и сыпучих сред. Некоторые виды доплеровских измерителей рассчитаны также на определение длины движущихся объектов или их перемещения, с помощью встроенного средства измерения временных интервалов.
Содержание
Принцип действия
Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. Осн. статья — Эффект Доплера
По природе излучения (радиоволны, свет, звук) доплеровские измерители бывают соответственно трёх видов:
- радиолокационные, иначе радиоволновые (доплеровские радары);
- лазерные, иначе оптические (доплеровские лидары);
- акустические (в т. ч. гидроакустические), иначе звуковые, ультразвуковые (доплеровские сонары).
По характеристике сигнала измерители могут быть как импульсные, так и с непрерывным излучением.
Доплеровские измерители скорости потока жидких и газообразных сред функционируют за счёт отражения излучения от микрочастиц, взвешенных в этих средах.
Виды доплеровских измерителей по назначению
Доплеровские измерители используются в различных целях во многих отраслях производства, транспорта, медицины, научных и научно-практических исследований, а также в военном деле
- Бортовые измерители
- Доплеровские измерители скорости и сноса для определения вектора путевой скорости самолёта, вертолёта. В настоящее время в авиации применяются измерители только радиолокационного типа. Осн. — статья Доплеровский измеритель скорости и сноса
- Судовые доплеровские измерители — радиолокационные и гидроакустические
- Бортовые измерители локомотивов — радиолокационные и лазерные
- Доплеровские измерители в космонавтике
- Технологические измерители
- Измерители скорости перемещения твёрдых тел — лазерные
- Измерители скорости потока жидких или сыпучих сред — ультразвуковые и лазерные, в т. ч. ультразвуковые расходомеры
- Медицинские измерители
- Доплеровский измеритель скорости кровотока — ультразвуковой
- Лазерные доплеровские флоуметры — анализаторы для неинвазивной диагностики микроциркуляционного кровообращения
- УЗИ-доплер томографы
- Фетальные доплеры
- Измерители для контроля транспортных потоков
- Измерители скорости движения транспортных средств — радиолокационные (осн. статья — Милицейский радар) и лазерные
- Гидро/метео измерители
- Лазерные доплеровские измерители в метеорологических исследованиях
- Гидроакустические доплеровские измерители в гидрологии, океанологии, осн. статья — Акустический доплеровский измеритель течения
- Системы охранной сигнализации
- Радиоволновые и ультразвуковые доплеровские извещатели для закрытых помещений
- Доплеровские системы сигнализации для открытых пространств
- Измерители военно-технического и разведывательного назначения
Источник
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
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
- RCWL-0516 Doppler Radar Sensor (доплеровский датчик движения) (купить на AliExpress).
- Резистор 220 Ом (купить на AliExpress).
- Светодиод (купить на AliExpress).
Доплеровский датчик движения (Doppler Radar Sensor) RCWL-0516
Доплеровский датчик движения RCWL-0516 — способен определять движение объектов (препятствий), которые полностью или частично отражают радиоволны (люди, животные, металлы и т.д.), даже если они находятся за деревом (дверью), стеной (гипс, бетон), пластиками, стеклами и т.д. В основе работы датчика лежит эффект Доплера — изменение частоты отражённой волны вследствие движения излучателя, приёмника или отражателя. В данном модуле частота излучаемой им радиоволны меняется вследствие движения отражателя (препятствия). Модуль построен на базе чипа RCWL-9196 который оснащён передатчиком и приёмником. Датчик сработает если приёмник примет сигнал, частота которого незначительно отличается от частоты сигнала передатчик. Датчик обнаруживает движение во всем диапазоне от 0 до 360 градусов — слепых зон нет.
Распиновка датчика показана на следующем рисунке. 
Назначение контактов датчика RCWL-0516:
- OUT — выход датчика (устанавливается в «1» при наличии движений + задерживается на 2 секунды после их прекращения).
- VIN — вход напряжения питания, от +4 до +28 В постоянного тока.
- GND — вход питания (общий).
- 3V3 — выход стабилизированного напряжения питания 3,3 В (можно использовать для питания микроконтроллеров).
- COS — вход разрешения (подтянут внутренним сопротивлением чипа). Если на данном выводе установить уровень логического «0», то после сброса триггера, он не будет устанавливаться (датчик перестанет реагировать на движения).
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:
1. Входное напряжение питания (VIN): 4… 28 В постоянного тока.
2. Потребляемый ток: до 3 мА (номинально 2,8 мА).
3. Дальность обнаружения: до 9 м (номинально до 5 м).
4. Мощность передатчика: до 30 мВт (номинально до 20 мВт).
5. Частота передатчика: 3,181 ГГц.
6. Время задержки до сброса триггера: 2 сек ±30%.
7. Выходное напряжение питания (3V3): 3,2… 3,4 В (номинально 3,3 В).
8. Максимальный ток на выходе «3V3»: до 100 мА.
9. Рабочая температура: -20… +80 °С.
10. Температура хранения: -40… +100 °С.
11.Габариты: 17,3х35,9 мм
12. Вес: 4 гр.
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.
Источник