Was ist digitaler Doppler?
Digitaler Doppler ist eine Signalverarbeitungstechnik, die den Doppler-Effekt zur Berechnung der Geschwindigkeit von Objekten verwendet. Ursprünglich entwickelte das Militär digitale Doppler-Techniken für Radargeräte, mit denen Ziele verfolgt, gesucht und beleuchtet werden. Als die Kosten für digitales Rechnen sanken, wurden zivile Anwendungen von Doppler-Radargeräten üblich, beispielsweise die wesentliche Rolle von Impuls-Doppler-Radargeräten bei der Wettervorhersage. Digitale Doppler-Bildgebungstechniken werden zunehmend auch in verschiedenen medizinischen Bereichen eingesetzt.
Der Doppler-Effekt ist im Wesentlichen die Änderung der Frequenz eines Signals, das von einem sich bewegenden Ziel reflektiert wird. Die Frequenz eines Signals, das von einem Objekt reflektiert wird, das sich auf einen Beobachter zubewegt, ist höher als die Frequenz des ursprünglichen Signals. Die Frequenz eines Signals, das von einem Objekt reflektiert wird, das sich von einem Beobachter entfernt, ist niedriger als die Frequenz des ursprünglichen Signals. Dieses Dopplerverschiebungsphänomen kann aufgezeichnet werden, wenn die Frequenz eines Signals im Verhältnis zum ursprünglichen Signal im Laufe der Zeit zunimmt oder abnimmt. Die nachfolgenden Frequenzänderungen werden verwendet, um die Geschwindigkeit eines Objekts in Bezug auf den Beobachter zu berechnen.
Computer werden verwendet, um die gesammelten Informationen zu digitalisieren, wenn jedes Signal gesendet, reflektiert und empfangen wird. In seiner einfachsten Form sendet ein Doppler-Radar eine elektromagnetische Welle auf ein Ziel aus. Bei Kontakt wird die Welle gestreut und ein Teil der Welle wird zum Radar zurückreflektiert. Ein digitaler Doppler-Empfängercomputer tastet die reflektierte Welle ab und berechnet die Phasenverschiebung von der ausgesendeten Welle, um die Frequenzänderung zu bestimmen. Die Geschwindigkeit des Objekts kann aus den Frequenzänderungen berechnet werden, obwohl die Entfernung und die Peilung des Ziels nicht bestimmt werden können.
Mit zunehmender Geschwindigkeit und Speichergröße von Computern können auch mehr Informationen verarbeitet werden, die über Doppler-Verschiebungen verfügbar sind. Beispielsweise können schnellere Computer die Informationen verwalten, die aus der schnellen Aussendung von Mikrowellenimpulsen anstelle eines einfachen Dauerstrichsignals stammen. Die Zeitverzögerung, mit der ein Impuls von einem Ziel zurückprallt, kann ebenso wie die Stärke des zurückgesendeten Signals berechnet werden. Dies ermöglicht die Bestimmung der Position und Dichte des Ziels in Verbindung mit seiner relativen Geschwindigkeit. Typischerweise scannen diese Puls-Doppler-Radare 360 Grad um das Radar in verschiedenen Höhen und digitale Doppler-Computer setzen die gesammelten Daten zusammen.
Wetter-Doppler verwendet Puls-Doppler-Radar, um die Bewegung von Stürmen und die Intensität von Niederschlägen zu untersuchen. Wassertropfen in Wolken und Niederschlag reflektieren elektromagnetische Wellen. Die digitale Doppler-Verarbeitung kann daher verwendet werden, um die Geschwindigkeit und Intensität eines sich nähernden Sturmsystems aus der Geschwindigkeit der Wolkenbewegung zu bestimmen. Wellen, die von dichtem Hagel oder starkem Regen reflektiert werden, sind stark, während Schnee und Nieselregen eher wie Siebe wirken, die Wellen dämpfen und zerstreuen und zu schwächeren Signalen führen. Mit Hilfe der Pulszeitverzögerungsanalyse kann der genaue Ort eines Sturms sowie die Art des Niederschlags bestimmt werden.
Computer präsentieren die Informationen in zwei Arten von Doppler-Karten. In einer Reflektivitätskarte werden Niederschlagsinformationen nach Intensität farblich gekennzeichnet und einer geografischen Karte überlagert, die die Positionierung angibt. Eine zweite Doppler-Karte zeigt die Radialgeschwindigkeit eines Sturms an, mit der die Windrichtung bestimmt werden kann. Unwettersysteme wie Hurrikane, Superzellengewitter und Tornados hinterlassen auf Doppler-Geschwindigkeitskarten verräterische Signaturen, sodass Prognostiker Unwetterwarnungen ausgeben können.
Die Innovationen der zivilen Doppler-Hersteller haben ihre Technologie im medizinischen Bereich praktisch gemacht. Eine solche Anwendung sind Echokardiographen, die den Blutfluss im Gefäß testen. Ebenso erfreuen sich 3D-Doppler-Sonogramme zunehmender Beliebtheit, da Eltern und Ärzte hochauflösende Bilder eines Fötus im Mutterleib betrachten können.