多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用1

1、多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用中文摘要：本文介紹了多普勒效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程和理論解釋，通過(guò)具體例子重點(diǎn)講述了聲波和光波的多普勒效應(yīng), 并且介紹了多普勒效應(yīng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用及多普勒效應(yīng)的應(yīng)用原理。說(shuō)明了多普勒效應(yīng)在生活中的普遍性以及研究多普勒效應(yīng)的重要性主題詞: 多普勒效應(yīng); 原理，應(yīng)用正文: 引言：在日常生活中，我們有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，在鐵路旁聽(tīng)行駛中火車(chē)的汽笛聲，當(dāng)火車(chē)?guó)Q笛而來(lái)時(shí)，人們會(huì)聽(tīng)到汽笛聲的音調(diào)變高相反，當(dāng)火車(chē)?guó)Q笛而去時(shí)，人們則聽(tīng)到汽笛聲的音調(diào)變低像這樣由于波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的波頻率有所變化的現(xiàn)象就叫做多普勒效應(yīng)這種現(xiàn)象是奧地利物理學(xué)家多普勒（18031853）于1842

2、年首先發(fā)現(xiàn)的，因此以他的名字命名多普勒效應(yīng)的正式提出是1842年在布拉格舉行的皇家波西米亞學(xué)會(huì)科學(xué)分會(huì)會(huì)議上的論文論天體中雙星和其他一些星體的彩色光。該論文的主要結(jié)論是：（1）如果一個(gè)物體發(fā)光，在沿觀察者的視線方向以可與光速相比擬的速度趨近我們，或后退，那么這一運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致光的顏色和強(qiáng)度的變化。（2）如果在另一方面一個(gè)發(fā)光物體靜止不動(dòng)。而代之以觀察者直接朝向或者背離物體非常快速的運(yùn)動(dòng)，那么所有的這些頻率變化都會(huì)隨之發(fā)生。（3）如果這一“趨向”和“背離”不是按照上述假定的那樣，沿著原來(lái)視線的方向，而是與視線成一夾角的方向，那么除了顏色和光強(qiáng)的變化，星體的方向也要變化，這樣一星體同時(shí)會(huì)在位置上發(fā)生

3、明顯變化。1論文首次發(fā)表出來(lái)因?yàn)闆](méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，因此被很多人質(zhì)疑和批評(píng)。1845年在荷蘭進(jìn)行的火車(chē)笛聲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)的正確性，多普勒效應(yīng)才開(kāi)始得到廣泛重視并應(yīng)用于實(shí)際。多普勒效益的第一次應(yīng)用始于戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)，第一次世界大戰(zhàn)末期，軍用飛機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，英國(guó)由于國(guó)土面積小在遭遇空襲預(yù)警能力很弱，飽受了來(lái)自空中的洗劫。第二次世界大戰(zhàn)前期，英國(guó)物理學(xué)家羅伯特·沃森-瓦特根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理研制出了最早期的雷達(dá)，在英國(guó)的東海岸建立了對(duì)空雷達(dá)警戒網(wǎng)，該雷達(dá)墻天線有100米高，能測(cè)到160千米以外的敵機(jī)，依靠這個(gè)雷達(dá)墻，英國(guó)總能及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)出德國(guó)飛機(jī)的架數(shù)、航向、速度和抵達(dá)英國(guó)本土的時(shí)

4、間，牢牢把握住了戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)，有效的降低了德國(guó)空軍的殺傷力，在這場(chǎng)英國(guó)保衛(wèi)戰(zhàn)中扮演著不可替代的決定性的作用。 多普勒效應(yīng)的原理波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。假設(shè)原有波源的波長(zhǎng)為，波速為c，觀察者移動(dòng)速度為v：當(dāng)觀察者走近波源時(shí)觀察到的波源頻率為（c+v）/，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為（c-v）/聲波中的原理設(shè)聲源的頻率為，聲波在媒質(zhì)中的速度為V，波長(zhǎng)=V/。聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與波源是否運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，故總是以決定于媒質(zhì)特性的速度V來(lái)傳2觀察者運(yùn)動(dòng)，聲源靜止3觀察者靜止，聲源運(yùn)動(dòng)1觀察者和聲源都運(yùn)動(dòng)一，聲源不動(dòng)，觀

5、察者以速度VB相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即VB0，Vs=0.此時(shí)觀測(cè)者不是停在原地等待一個(gè)個(gè)的波來(lái)“沖擊”，而是迎上去拾取更多的波，那么觀測(cè)者接收到的聲波的頻率為'=（V+VB）/=(V+VB)/V* (1)上式表明當(dāng)觀測(cè)者向著靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的聲波頻率為聲源頻率的（1+v/V）倍，故聽(tīng)到的聲調(diào)變高。反之，當(dāng)觀測(cè)者背著靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，所接收到的聲波頻率為'=（V-VB）/V* (2)聲波的頻率低于聲源頻率，故聽(tīng)到的音調(diào)變低。二，觀察者不動(dòng)，聲源以速度Vs相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即VB0，Vs0時(shí)。圖1 如聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)，這時(shí)0假定，因?yàn)槁曀賰H決定于介質(zhì)的性質(zhì)，與聲源的運(yùn)動(dòng)與否無(wú)關(guān)所

6、以在一個(gè)周期T內(nèi)聲源在S點(diǎn)發(fā)出的振動(dòng)向前傳播的距離等于波長(zhǎng)如聲源不動(dòng)，則波形如圖1中實(shí)線所示；但若聲源運(yùn)動(dòng)，則在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)聲源在波的傳播方向上通過(guò)一段路程T而達(dá)到S點(diǎn)，結(jié)果整個(gè)波形如圖3中點(diǎn)S、B間的虛線所示由于聲源做勻速運(yùn)動(dòng)，所以，波形無(wú)畸彎只是波長(zhǎng)變小，其值為VsVs (3)（Vs）（1） (4)所以觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為 /（Vs） (5)該式表明：當(dāng)聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收的頻率是聲源頻率的（Vs）倍如聲源背離觀察者運(yùn)動(dòng)，則Vs0，所以有，即觀察者接收到的頻率比聲源頻率降低了現(xiàn)在我們就不難明白前述火車(chē)相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)音調(diào)變化的本質(zhì)原因了三，觀察者和聲源都相對(duì)運(yùn)動(dòng)

7、，即0，VB0。從以上所討論的兩種情況中，我們不難看出，觀察者接收到聲波的頻率為（）（Vs）（）（Vs） (6)綜上所述，不論是二者誰(shuí)運(yùn)動(dòng)，只要兩者互相接近接收到的聲波頻率就高于聲源頻率；互相遠(yuǎn)離，接收到的聲波頻率低于聲源振動(dòng)頻率。以上討論是假設(shè)聲源與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在二者連線上。若運(yùn)動(dòng)方向不在二者的連線上，分析表明，波源或觀測(cè)者在垂直于連線方向的運(yùn)動(dòng)不影響接收頻率，即聲學(xué)中沒(méi)有橫向多普勒效應(yīng)。光學(xué)中的原理圖2 觀察運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出的光頻率如圖2所示觀察者在坐標(biāo)系原點(diǎn)觀察一沿x軸正方向以速度u 運(yùn)動(dòng)的光源發(fā)光的頻率,觀察得到的光頻率(其中u為光源的運(yùn)動(dòng)速度大小)。若光源運(yùn)動(dòng)速度u與x 軸方向相反,

8、則觀察者觀察到的光頻率f與光源固有頻率f0間的關(guān)系變?yōu)?。電磁波多普勒效?yīng)機(jī)械波和光波具有多普勒效應(yīng)，光是一種電磁波，同樣電磁波也遵循多普勒原理，由于電磁波的波段比光波更短，相比于光的多普勒效應(yīng)穿透能力更強(qiáng)，并且對(duì)于聲波而言，電磁波在傳播過(guò)程中不需要介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，使其在應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)比前兩者普及的更為廣泛，為光波和聲波不可替代。可利用電磁波多普勒效應(yīng)推導(dǎo)出移動(dòng)物體的速度，即，C為光速，f為發(fā)射頻率，f為所測(cè)頻率。其中光速,但是在實(shí)際介質(zhì)中電磁波的傳播速度，其中為介電常量，為磁導(dǎo)率。電磁波多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了人類(lèi)探索自然科學(xué)的新紀(jì)元，第三章將對(duì)其具體應(yīng)用作相應(yīng)介紹。應(yīng)用：多普勒效應(yīng)在我們的生活中已經(jīng)

9、用到了方方面面，比如車(chē)輛測(cè)速，災(zāi)后救援，超聲波診斷病情等，而這些都基于多普勒效應(yīng)在在實(shí)際生活中的應(yīng)用。為了更好地理解下面我們舉幾個(gè)個(gè)例子來(lái)看看多普勒效應(yīng)在生活中的實(shí)使用一、雷達(dá)測(cè)速儀檢查機(jī)動(dòng)車(chē)速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。交通警向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車(chē)輛的速度裝有多普勒測(cè)速儀的警車(chē)有時(shí)就停在公路旁，在測(cè)速的同時(shí)把車(chē)輛牌號(hào)拍攝下來(lái)，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上。這樣就可以對(duì)超速的汽車(chē)做出記錄了。二、多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是我們平常說(shuō)的彩超。彩超簡(jiǎn)單的說(shuō)就是高

10、清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先說(shuō)說(shuō)超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多普勒和彩色多普勒血流圖像。彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。由此可見(jiàn)，彩色多普勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。為了檢查心臟、血管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解血液流動(dòng)速度，可以

11、通過(guò)發(fā)射超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的物體，所以超聲波振源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)被壓縮，因而頻率增加。血管離開(kāi)聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因而在單位時(shí)向里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流運(yùn)速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測(cè)定血液的流速。我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對(duì)心血管的疾病診斷具有一定的價(jià)值，特別是對(duì)循環(huán)過(guò)程中供氧情況，閉鎖能力，有無(wú)紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價(jià)值的診斷信息。超聲多普勒法診斷心臟過(guò)程是這樣的：超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號(hào)，激勵(lì)發(fā)射換能器探頭，產(chǎn)生連續(xù)不斷的超聲波，向人體心血管器

12、官發(fā)射，當(dāng)超聲波束遇到運(yùn)動(dòng)的臟器和血管時(shí)，便產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射信號(hào)就為換能器所接受，就可以根據(jù)反射波與發(fā)射的頻率差異求出血流速度，根據(jù)反射波以頻率是增大還是減小判定血流方向。為了使探頭容易對(duì)準(zhǔn)被測(cè)血管，通常采用一種板形雙疊片探頭。三、宇宙學(xué)研究中的多普勒現(xiàn)象目前通過(guò)多普勒效應(yīng)制成的各種儀器已經(jīng)廣泛運(yùn)用在對(duì)宇宙的觀察和研究之中了。20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度v與距地球的距離r成正比，即v=Hr,H為哈勃常數(shù).根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體

13、紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物。 因而1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。 20世紀(jì)60年代以來(lái)，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的"標(biāo)準(zhǔn)模型" 。正是這個(gè)效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。 1868年，英國(guó)天文學(xué)家W. 哈金斯用這種辦法測(cè)量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出了46 km/s的速度值。四、移動(dòng)通信中的多普勒效應(yīng) 在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向

14、基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮"多普勒效應(yīng)"。雖然在日常的生活中我們步行或者坐車(chē)因?yàn)樗俣鹊木壒什荒墚a(chǎn)生明顯的多普勒效應(yīng)即頻率的偏差，但是一旦換作了飛機(jī)等高速移動(dòng)的設(shè)備時(shí)，這種偏差就被N倍放大了，這也就是通信收到了多普勒效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致通信的混亂，所以在現(xiàn)代通信中必須充分考慮到他的影響，從而也使通信工程增加了更多的復(fù)雜性。五農(nóng)業(yè)中的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)不僅運(yùn)用于各種工業(yè)和軍事領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)也因此而受惠了。利用多普勒效應(yīng)來(lái)增產(chǎn)抗病就是個(gè)很好的例子。植物聲頻控制技術(shù)是建立在植物經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上，利用He-Ne激光多普勒效應(yīng)測(cè)振儀，精確地

15、測(cè)定出植物自發(fā)聲和接受聲的頻率，并測(cè)定出植物自發(fā)聲頻率與環(huán)境因子如溫度、濕度及組織含水量之間的關(guān)系，做了頻普分析，進(jìn)而研制了植物聲頻發(fā)生器。利用聲頻發(fā)生器對(duì)植物施加特定頻率的聲波，與植物發(fā)生共振，促進(jìn)各種營(yíng)養(yǎng)元素的吸收#傳輸和轉(zhuǎn)化，從而增強(qiáng)植物的光和作用和吸收能力，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，達(dá)到增產(chǎn)、增收、優(yōu)質(zhì)、抗病的目的。六多普勒效應(yīng)在天氣預(yù)報(bào)上的應(yīng)用 我國(guó)南方一直是飽受夏季季風(fēng)氣候和臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害天氣影響的嚴(yán)重地區(qū)之一。多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用提高了我國(guó)夏季主要災(zāi)害天氣梅雨鋒中尺度強(qiáng)暴雨的預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)能力，也結(jié)束了荊江地區(qū)無(wú)高性能監(jiān)測(cè)雷達(dá)的歷史。我國(guó)首部可移動(dòng)式多普勒天氣雷達(dá)由中國(guó)氣象局和湖北省荊州市政府共同投資

16、，是國(guó)家項(xiàng)目“長(zhǎng)江流域梅雨鋒強(qiáng)暴雨外場(chǎng)試驗(yàn)”大型重點(diǎn)氣象工程的關(guān)鍵設(shè)備，日前在湖北荊州啟用。七多普勒效應(yīng)在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)是上世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。GPS導(dǎo)航定位衛(wèi)星處于與地球赤道面成一個(gè)固定夾角的近圓軌道面上繞著地球高速運(yùn)動(dòng),因此與地面接收機(jī)之間存在徑向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移是影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一，對(duì)偽碼捕獲和載波鎖定速度有很大影響。利用多普勒頻移推算物體的移動(dòng)速度也是GPS測(cè)速

17、的重要途徑。因此，準(zhǔn)確的估計(jì)多普勒頻移對(duì)GPS信號(hào)接收極為重要。多普勒頻移的計(jì)算公式為:式中, c為光速；f為GPS衛(wèi)星的載波頻率；v為衛(wèi)星的速率( 3. 873 8 km/s)；為衛(wèi)星與地面接收站的連線和衛(wèi)星速度v的夾角。因此,由控制中心提供的衛(wèi)星位置和速度可以估算出某時(shí)某顆衛(wèi)星的多普勒頻移。由于GPS衛(wèi)星與地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律共同決定了每顆GPS衛(wèi)星相對(duì)于地球某點(diǎn)的運(yùn)行周期，即在同一地點(diǎn)，某時(shí)刻的衛(wèi)星狀態(tài)與第二天該時(shí)刻約提前4分鐘時(shí)的衛(wèi)星狀態(tài)相同。所以估計(jì)GPS衛(wèi)星的多普勒頻移特性只需估計(jì)某地任一23小時(shí)56分，該地其他時(shí)間GPS衛(wèi)星的多普勒頻移可以相聚推算出來(lái)。GPS測(cè)速有多種方法，其中包括卡

18、爾曼濾波、位置求導(dǎo)和直接用多普勒觀測(cè)值求解速度等3種方法。卡爾曼濾波的方法定位精度達(dá)到0.5m，速度確定精度達(dá)到0.1 m/s；位置求導(dǎo)方法理論上較為成熟，實(shí)踐起來(lái)也相對(duì)容易，但其精度的提高依賴于定位方法的進(jìn)一步改善和定位精度的提高，而動(dòng)態(tài)定位中由于多余觀測(cè)值較少，提高定位精度并非易事；多普勒求解法比第二種方法理論復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，但該方法對(duì)位置的精度依賴性不強(qiáng)，一般碼偽距確定的位置精度就可以滿足要求，因此得到較為普遍的應(yīng)用。利用求出多普勒頻移觀測(cè)量得到的載體速度具有可靠、高精度的特點(diǎn)。它可以應(yīng)用于星載、機(jī)載、艦載及車(chē)載等的速度測(cè)量。八多普勒聲納的水下導(dǎo)航系統(tǒng)在人類(lèi)航海歷史上，水面導(dǎo)航占

19、據(jù)著至關(guān)重要的地位，早期航海導(dǎo)航以自然天象如星星為主，逐漸發(fā)展成陸地?zé)羲F(xiàn)代水面艦船的導(dǎo)航方法,主要有陸標(biāo)、天文導(dǎo)航和無(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星定位導(dǎo)航、推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等幾種，雖然這些手段基本上可以滿足水面艦船的導(dǎo)航需要。隨著二戰(zhàn)期間潛艇的出現(xiàn)，水面導(dǎo)航已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了水下航行的需求，雷達(dá)出現(xiàn)以前，水面導(dǎo)航主要應(yīng)用慣導(dǎo)系統(tǒng)，慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差是隨時(shí)間而積累的，在沒(méi)有修正信息的情況下難以滿足長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航定位的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展水下目標(biāo)及載體定位和導(dǎo)航的任務(wù)開(kāi)始使用水聲技術(shù)。這些系統(tǒng)可以在局部海域?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行高精度的定位，并對(duì)水下載體進(jìn)行導(dǎo)航。但是需要在預(yù)定工作海域布設(shè)導(dǎo)航基陣，在復(fù)雜環(huán)境和未知海域

20、存在很大工作困難。在水聲系統(tǒng)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了聲學(xué)測(cè)速和計(jì)程設(shè)備，它可以測(cè)量載體相對(duì)海底的絕對(duì)速度。聲學(xué)測(cè)速設(shè)備主要包括聲相關(guān)速度聲納和多普勒聲納。聲相關(guān)速度聲納的特點(diǎn)是載體上的發(fā)射換能器波束較寬，且向正下方發(fā)射信號(hào)。接收時(shí)采用多個(gè)水聽(tīng)器接收海底回波，通過(guò)各接收器接收信號(hào)的相關(guān)特性推算載體速度，其優(yōu)點(diǎn)是基陣尺寸較小，缺點(diǎn)是淺水、低速情況下測(cè)速效果誤差較大10。因此水下航行器最常用的，也是最可靠的水聲測(cè)速設(shè)備是多普勒聲納。多普勒聲納向海水介質(zhì)發(fā)射聲波，聲波被海底反射，產(chǎn)生海底回波，分析海底回波則可以測(cè)量載體的速度。當(dāng)頻率為fo的聲波在海水中傳播時(shí)，有一部分能量被海底散射回來(lái)，這些回波信號(hào)經(jīng)換能器接收

21、、處理后可以測(cè)得其頻率為fr。根據(jù)多普勒頻移原理，只要聲源或接收器與散射體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則f rfo，其差值為，并且滿足下式：式中，為波束的俯角，V為聲源或接收器的水平相對(duì)速度，c為聲速9.檢測(cè)回波的頻移可求得速度。多普勒聲納的優(yōu)點(diǎn)是在很低的速度下仍有較高的測(cè)速精度。其缺點(diǎn)是在要求的海底跟蹤深度較大時(shí)須采用較低頻率導(dǎo)致基陣尺寸過(guò)大。近年來(lái)，已經(jīng)研制出基于相控陣的多普勒聲納。這種設(shè)備的基陣與常規(guī)多普勒聲納相比要小得多，可以無(wú)需考慮聲速補(bǔ)償，相控陣多普勒聲納已成為當(dāng)今多普勒聲納的主流。水下航行器可以直接使用多普勒聲納導(dǎo)航，當(dāng)多普勒聲納能夠接收海底有效回波時(shí)，則采用底跟蹤速度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航；由于水深

22、過(guò)大或者其他原因無(wú)法接收到海底有效回波時(shí)則利用水層回波，測(cè)量載體相對(duì)于水層的速度來(lái)代替地速。為了滿足長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離水下導(dǎo)航的需要如核潛艇，普勒聲納與慣性導(dǎo)航進(jìn)行組合導(dǎo)航已成為主流搭配。甚至可以利用GPS技術(shù)，即航行器周期性地浮出水面接收GPS 信號(hào)并對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行修正。隨著聲學(xué)測(cè)速技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)速，精度不斷提高10。特別是寬帶多普勒聲納的出現(xiàn)，其測(cè)速精度相對(duì)傳統(tǒng)的窄帶多普勒聲納大大提高，并且廣泛應(yīng)用多種水下航行器的導(dǎo)航。（器件1）激光流速儀利用多普勒效應(yīng)原理研制的“激光流速儀”可測(cè)量氣體、液體的流速。該儀器的基本原理如下圖所示圖3圖4從激光器L發(fā)出單色光來(lái)，經(jīng)分光板A后

23、，兩束光都在流經(jīng)O處的雜質(zhì)微粒上發(fā)生散射，因第一路入射光AO和流體速度分量ucos，方向相同，而B(niǎo)O與流體速度分量ucos，方向相反，故兩種散射光的多普勒頻移是不同的，其頻率分別是1和2，應(yīng)用縱向多普勒效應(yīng)公式，由于u/c很小，得 把公式中的c換成流體中光速v=c/n，式中的u換成縱向分量ucos，ucos， 故探測(cè)器接收到的兩束散射光頻率之差為 若，則得 那么，流速為 頻率相近的兩散射光在探測(cè)器上相互作用而產(chǎn)生拍現(xiàn)象，光電探測(cè)器測(cè)出每秒鐘光強(qiáng)變化頻率即拍頻。已知，n，就可以測(cè)出流速u(mài)。這一測(cè)量方法是非接觸式的，不影響流體流動(dòng)情況。激光流速儀的精度高，測(cè)量范圍大，而且可以逐點(diǎn)測(cè)出瞬時(shí)流速，是研

24、究流體力學(xué)問(wèn)題的有力工具。（器件2）多普勒雷達(dá)20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，脈沖多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、靶場(chǎng)測(cè)量、武器火控和氣象探測(cè)等方面，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達(dá)的預(yù)警飛機(jī)，已成為對(duì)付低空轟炸機(jī)和巡航導(dǎo)彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達(dá)還用于氣象觀測(cè)，對(duì)氣象回波進(jìn)行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況。脈沖多普勒雷達(dá)具有下列特點(diǎn)：采用可編程序信號(hào)處理機(jī)，以增大雷達(dá)信號(hào)的處理容量、速度和靈活性，提高設(shè)備的復(fù)用性，從而使雷達(dá)能在跟蹤的同時(shí)進(jìn)行搜索并能改變或增加雷達(dá)的工作狀態(tài)，使雷達(dá)具有

25、對(duì)付各種干擾的能力和超視距的識(shí)別目標(biāo)的能力；采用可編程序柵控行波管，使雷達(dá)能工作在不同脈沖重復(fù)頻率，具有自適應(yīng)波形的能力，能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)選用低、中或高三種脈沖重復(fù)頻率的波形，并可獲得各種工作狀態(tài)的最佳性能；采用多普勒波束銳化技術(shù)獲得高分辨率，在空對(duì)地應(yīng)用中可提供高分辨率的地圖測(cè)繪和高分辨率的局部放大測(cè)繪，在空對(duì)空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊(duì)的群目標(biāo)。 結(jié)論：多普勒效應(yīng)在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用極其廣泛，無(wú)論是在人們?nèi)粘Ｉ钸€是軍事中都扮演者非常重要的角色。其各種技術(shù)的發(fā)展速度也非常的快速，給人們的生活帶來(lái)許多便利。也正是因?yàn)槎嗥绽招?yīng)與人們生活息息相關(guān)，盡管已經(jīng)發(fā)展得比較完善了，其前景還是很好的，必定有許多人繼續(xù)研究，新的應(yīng)用也必定層出不窮。以多普勒效應(yīng)為研究對(duì)象，得出以下三點(diǎn)結(jié)論（1）多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，給人類(lèi)帶來(lái)的突飛猛進(jìn)的變革，尤其在軍事應(yīng)用方面表現(xiàn)更為突出，一方面多普勒效應(yīng)引導(dǎo)了軍事裝備的發(fā)展和發(fā)展方向，另一方面進(jìn)步的軍