多普勒雷達(dá)原理

1、汽笛聲變調(diào)的啟示- 多普勒雷達(dá)原理1842 年一天，奧地利數(shù)學(xué)家多普勒路過(guò)鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過(guò)，他發(fā)現(xiàn)火車由遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖（注：應(yīng)為“汽笛聲的音頻頻率變高”）；而火車由近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低（應(yīng)為“汽笛聲的音頻頻率降低了”）。他對(duì)這種現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源 與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽(tīng)到的聲音頻率不同于振源頻率的緣故，稱為頻移現(xiàn)象。因?yàn)檫@是多普勒首先提出來(lái)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時(shí)沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。幾年后有人請(qǐng)一隊(duì)小號(hào)手在平板車上演奏，再請(qǐng)訓(xùn)練有素的音樂(lè)家用耳朵來(lái)辨別音調(diào)的變化，驗(yàn)證了該效應(yīng)。為

2、了理解這一現(xiàn)象，需要考察火車以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出的是聲波波長(zhǎng)縮短，好像波被“壓縮”了。 因此， 在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會(huì)感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波的波長(zhǎng)變大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛聲聽(tīng)起來(lái)就 顯得低沉。用科學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，就是在一個(gè)物體發(fā)出一個(gè)信號(hào)時(shí)，當(dāng)這個(gè)物體和接收者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然物體發(fā)出的信號(hào)頻率固定不變，但接收者所接收到的信號(hào)頻 率相對(duì)于物體發(fā)出的信號(hào)頻率出現(xiàn)了差異。多普勒效應(yīng)也可以用波在介質(zhì)中傳播的衰減理論解釋，波在介質(zhì)中傳播，會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，隨距離增加, 高頻向低頻移動(dòng)。多普勒效應(yīng)不僅適

3、用于聲波, 它也適用于所有類型的波，包括電磁波。多普勒效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，直到1930 年左右，才開(kāi)始應(yīng)用于電磁波領(lǐng)域中。常見(jiàn)的一種應(yīng)用是醫(yī)生檢查就診人用的“彩超”， 就是利用了聲波的多普勒效應(yīng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“彩超”就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒。超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號(hào)，向人體心血管器官發(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)為換能器所接受，根據(jù)反射波與發(fā)射 波的頻率差可以求出血流速度，根據(jù)反射波的頻率是增大還是減小判定血流方向。20 世紀(jì)40年代中期，也就是多普勒發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象之后大約100年，人們才將多普勒效應(yīng)應(yīng)用于雷達(dá)上。多普勒雷達(dá)就是利用多普勒效

4、應(yīng)進(jìn)行定位，測(cè)速，測(cè)距等的雷達(dá)。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對(duì)空掃描時(shí)，如遇到活動(dòng)目標(biāo)，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差（稱為多普勒頻率）， 根據(jù)多普勒頻率的大小，可測(cè)出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。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，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以及科學(xué)研究、業(yè)務(wù) 應(yīng)用裝置。多普勒天氣雷達(dá)，是以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)大氣中云雨等目標(biāo)物相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波有運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)測(cè)定接收到的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻率

5、差異就 能夠解譯出所需的信息。它與過(guò)去常規(guī)天氣雷達(dá)僅僅接收云雨目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)發(fā)射電磁波的反射回波進(jìn)了一大步。這種多普勒天氣雷達(dá)的工作波長(zhǎng)一般為510厘 米，除了能起到常規(guī)天氣雷達(dá)通過(guò)回波測(cè)定云雨目標(biāo)物空間位置、強(qiáng)弱分布、 垂直結(jié)構(gòu)等作用，它的重大改進(jìn)在于利用多普勒效應(yīng)可以測(cè)定降水粒子的運(yùn)動(dòng)速度，從而推斷降水實(shí)體速度分布、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征、垂直氣流速度等，這對(duì)研究降水的形成、分析中小尺度天氣系統(tǒng)、警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義，這是 以往天氣雷達(dá)做不到的。因此，被稱為智能型探測(cè)系統(tǒng)。多普勒頻移定義主要內(nèi)容為：物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面,波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻

6、率變得較高（藍(lán)移blue shift）。多普勒頻移，當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低（紅移 red shift）。物理現(xiàn)象概述多普勒效應(yīng)示意圖多普勒頻移，當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較 低（紅移red shift）o波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅（藍(lán)）移的程度,可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度多普勒頻移及信號(hào)幅度的變化等如圖縮（如圖2右側(cè)波形變化所示），頻率變高, 音波長(zhǎng)就被拉長(zhǎng)（如圖2左側(cè)波形變化所示）2所示。當(dāng)火車迎面駛來(lái)時(shí)，鳴笛聲的波長(zhǎng)被壓 因而聲音聽(tīng)起來(lái)尖利刺耳。當(dāng)火車遠(yuǎn)離時(shí)，聲,頻率變低，從而使得聲音聽(tīng)

7、起來(lái)減緩且低沉。帕11,圖2聲波的多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻移從外太空這種現(xiàn)象也存在于其他類型的波中，例如光波和電磁波?？茖W(xué)家們觀察發(fā)現(xiàn), 而來(lái)的光波，其頻率在不斷變低，既向頻率較低的紅色波段靠攏， 這是光波遵從多普勒效應(yīng) 從而引起多普勒頻移的例證。 對(duì)于電磁波，高度運(yùn)動(dòng)的物體上 （例如高鐵）進(jìn)行無(wú)線通信, 會(huì)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量下降等現(xiàn)象，就是電磁波存在多普勒頻移現(xiàn)象的實(shí)例。從而使得加載在頻率上的信號(hào)無(wú)法正多普勒頻移導(dǎo)致無(wú)線通信中發(fā)射和接收的頻率不一致, 確接收，甚至無(wú)法接收到。發(fā)生原因把聲波視為有規(guī)律間隔發(fā)射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發(fā)射了一個(gè)脈 沖，那么在你每走一步時(shí)，面前的聲源發(fā)出的脈沖相

8、對(duì)于你的傳播距離比你站立不動(dòng)時(shí)近了一步， 而在你后面的聲源則比原來(lái)不動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)了一步?；蛘哒f(shuō)，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。所謂多普勒效應(yīng)就是當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差 稱為多普勒頻移。聲音的傳播也存在多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源與接收體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的聲波頻率 f與聲源頻率f存在多普勒頻移Af(doppler shift)即A f=-f 當(dāng)接收體與聲源相互靠近時(shí)，接收頻率f大于發(fā)射頻率f即：Af>0當(dāng)接收體與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率f小于

9、發(fā)射頻率 即：Af<0可以證明若接收體與聲源相互靠近或相互遠(yuǎn)離的速度為v,聲速為C,則接收體接收聲波的多普勒頻率為：f= f (c+-v1)/(c-+v2)括號(hào)中分子和分母的加、減運(yùn)算分別為 接近“和 遠(yuǎn)離”之意。多普勒頻移最基本的計(jì)算公式是：. 堪比三片片句是曼:既，廿二：XCQZ K 二-一一-多普勒頻移基本公式例如在一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度為 100 km/h的列車上，使用 GSM 900 MHz的手機(jī)進(jìn)行通話，假設(shè)發(fā)射 頻率為900 MHz,則最大的多普勒頻移為 fm=100000/3600/300*900*1=83 Hz ,此時(shí)列車移動(dòng) 的方向與無(wú)線電波發(fā)射的方向一致。如果列車運(yùn)動(dòng)的方向與

10、發(fā)射方向成90。角，則無(wú)多普勒頻移，夾角在兩者之間時(shí)，為 083 Hz的范圍值。如列車移動(dòng)方向與無(wú)線電波發(fā)射的方向相 反或呈90°180°角，則頻移為負(fù)值，范圍為-83 Hz0。無(wú)線通話中頻率誤差的標(biāo)準(zhǔn)一般為ppm ,即百萬(wàn)分之，則 900 MHz允許的頻率誤差為 900*=45 Hz。從而可以看出，列車運(yùn)動(dòng)時(shí)通話的接收頻率的誤差經(jīng)常會(huì)超過(guò)頻率誤差，多普勒頻移已經(jīng)影響到了通話質(zhì)量。因此消除或降低多普勒頻移對(duì)無(wú)線通信的影響，是高速運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行無(wú)線通信必須解決的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題通常采用的方法是：估算多普勒頻移，并對(duì)估算的頻率偏差進(jìn)行補(bǔ)償。尤其是多普勒效應(yīng)影響非常大的水中無(wú)線通信

11、，業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)有很多研究成果，采用的方法大多都是通過(guò)某些算法進(jìn)行多普勒頻移的消除或補(bǔ)償。多普勒頻移當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定的速率 v在長(zhǎng)度為d,端點(diǎn)為X和Y的路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)收到來(lái)自遠(yuǎn)端源S發(fā)出的信號(hào)，如下圖所示。多普勒效應(yīng)示意圖無(wú)線電波從源S出發(fā)，在X點(diǎn)與Y點(diǎn)分別被移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)所走的路徑差為:由于路徑差造成的接收信號(hào)相位變化值為：2冗/2jivA/= -：- = cos 6AA由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移為:由此可知，多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向以及無(wú)線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向移動(dòng)，則多普勒頻移為正，導(dǎo)致接收頻率上升。若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻

12、移為負(fù)，接收頻率下降。信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。應(yīng)用實(shí)例多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波， 它也適用于所有類型的波形， 包括光波?？茖W(xué)家Edwin Hubble 使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處銀河系的光線頻率在變低，即移向光譜的紅端。這就是紅色多普勒頻移，或稱紅移。若銀河系正移向藍(lán)端，光線就成為藍(lán)移。 在衛(wèi)星移動(dòng)通信中，當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí)，頻率變低，而且由于飛機(jī)的速度十分快，所以我們?cè)谛l(wèi)星移動(dòng)通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)另外一方面，由于非 靜止衛(wèi)星本身也具有很高的速度，所以現(xiàn)在主要用靜止衛(wèi)星與飛機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)為了 避免這種影響造成我們通信中的問(wèn)題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了衛(wèi)星移動(dòng)通信的復(fù)雜性。 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