多普勒效应技术及其应用

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1、多普勒效应技术及其应用 毕 业 论 文题 目 多普勒效应技术及其应用 英文题目 Doppler effect Technoloy And Applications学生姓名 学 号 指导教师 职称 专 业 二零壹壹年六月摘 要本文首先以声音和激光的多普勒效应为例，对声波、光涉及电磁波的多普勒效应原理进行详细阐述，并对目前各高校的多普勒效应实验进行总结和改良。第三章详细介绍了多普勒效应在医学治疗、气象监控与预警、卫星通信和军事雷达测速与追踪等领域的具体应用：如全数字化彩超、多普勒超声诊断、多普勒天气雷达、GPS导航、多普勒机载火控雷达等等。以具体实例的形式介绍了多普勒效应对人类科学开展的重要影响。

2、关键词：多普勒效应； 电磁波； 声波 ；光波AbstractThis article first take the sound and the laser Doppler effect as an example, to the sound wave, the light wave and the electromagnetic wave Doppler effect principle carries on the detailed elaboration, and carries on the summary and the improvement to the present vario

3、us universities Doppler effect experiment.Third chapter introduced in detail the Doppler effect in the medicine treatment, the meteorological monitoring and the early warning, the satellite communication and the military radar measures fast and domain and so on tracing concrete applications: If enti

4、re digitized colors ultra, Doppler ultrasound diagnosis, Doppler weather radar, GPS navigation, Doppler aircraft-borne fire control radar and so on.Introduced the Doppler effect by the concrete example form to the human science development important influence.Key word: Doppler effect； Electromagneti

5、c wave；Sound wave目 录绪论21章. 多普勒效应的原理1.1 多普勒效应的发现及早期雷达应用1.2 声波的多普勒效应1.3 激光多普勒效应5 1.4 电磁波的多普勒效应2章. 多普勒效应实验改良2.1 激光多普勒效应实验2.2 超声波多普勒效应实验2.3 电磁波多普勒效应实验123章. 多普勒效应的应用13.1 多普勒效应在医学的应用1 3.1.1 全数字化彩色超声波诊断仪13.1.2 乳腺癌多普勒超声诊断进展143.1.3 激光多普勒血流测定153.2 多普勒效应在气象预警的应用173.2.1 多普勒雷达原理17 3.2.2 天气雷达在航天领域的应用13.3. 卫星通信中多普

6、勒.19 3.3.1 卫星通信中多普勒效应的影响 3.3.2 多普勒效应在GPS导航中的应用3.4 多普勒在军事上的应用3.4.1 多普勒效应雷达工作原理 3.4.1.1 相干脉冲雷达技术 3.4.1.2 相控阵雷达技术 3.4.2 多普勒效应机载火控雷达3.4.3 多普勒声纳导航系统3.4.4 多普勒效应促进五代战机的开展3.4.5 多普勒效应雷达的模块化27结论致谢参考文献.1.1多普勒效应的发现及早期雷达应用 克里斯群?多普勒Christian Doppler1803年11月29日生于奥地利的萨尔茨堡，1822年进入维也纳综合技术学院。1850年任皇家帝国大学物理学院院长，1853年在威

7、尼斯去世。后人为纪念他所作出的科学奉献，以他的名字将他对的频移发现命名为多普勒效应。多普勒效应的正式提出是1842年在布拉格举行的皇家波西米亚学会科学分会会议上的论文?论天体中双星和其他一些星体的彩色光?。该论文的主要结论是：一如果一个物体发光，在沿观察者的视线方向以可与光速相比较的速度趋近我们，或者后退，那么这一运动必然导致光的颜色和强度的变化。二如果在另一方面一个发光物体静止不动。而代之以观察者直接朝向或者背离物体非常快速的运动，那么所有的这些频率变化都会随之发生。三如果这一“趋向和“背离不是按照上述假定的那样，沿着原来视线的方向，而是与视线成一夹角的方向，那么除了颜色和光强的变化，星体的

8、方向也要变化，这样一星体同时会在位置上发生明显变化。1论文首次发表出来因为没有足够的实验数据和理论依据，因此被很多人质疑和批评。1845年在荷兰进行的火车笛声实验验证了多普勒效应的正确性，多普勒效应才开始得到广泛重视并应用于实际。多普勒效益的第一次应用始于战争效劳，第一次世界大战末期，军用飞机开始出现，英国由于国土面积小在遭遇空袭预警能力很弱，饱受了来自空中的洗劫。第二次世界大战前期，英国物理学家罗伯特?沃森-瓦特根据多普勒效应的原理研制出了最早期的雷达，在英国的东海岸建立了对空雷达警戒网，该雷达墙天线有100米高，能测到160千米以外的敌机，依靠这个雷达墙，英国总能及时准确的测出德国飞机的架

9、数、航向、速度和抵达英国外乡的时间，牢牢把握住了战争主动权，有效的降低了德国空军的杀伤力，在这场英国保卫战中扮演着不可替代的决定性的作用。1.2声波的多普勒效应多普勒效应的验证首先是通过声学中验证的，1845年荷兰皇家气象学院院长布依斯?巴洛特对多普勒星体颜色发生变化的预言提出批评，他在铁路上进行了实验，让机车牵引一节平板车厢，车上安排了一对乐手在奏乐，作为声源，当火车快速行驶过来，由一些专业的音乐家凭借其敏感的听觉判断音乐的音调变化，然后音乐家和乐手对调位置，屡次实验观察音调的变化，最终验证了多普勒效应在声学上的正确性。现在我们知道，在铁路旁听行驶中火车的汽笛声，当火车鸣笛而来时，人们会听到

10、汽笛声的音调变高相反，当火车鸣笛而去时，人们那么听到汽笛声的音调变低有这个我们来先提出多普勒效应的概念：像这样由于波源或观察者相对于介质有相对运动时，观察者所接收到的波频率有所变化的现象就叫做多普勒效应。用下面图像可以表述为：1图2观察者运动而声源静止 图 3观察者静止，声源运动观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数，当波以速度v通过接收者时，时间t内通过的完全波的个数为Nvt因而单位时间内通过接收者的完全波的个数，即接收的频率 fv：这时观测者听到的波源频率和波源实际频率相等。波源静止，观察者以速度相对于介质运动：，观测者接收到的频率大于波源实际频率观察者静止，波源以速

11、度相对于介质运动：，观测者接收到的频率增加观察者以速度和波源以速度相对于介质运动：，观测者接收到的频率远远大于声波实际频率。同样可以证明当物体或声源反方向运动时，观测者接收到的频率将相应的减小。在上述火车鸣笛的例子中，实际上火车鸣笛的频率并没有改变，而是由于声源和观察者之间有相对运动，使人耳接收到声音的频率发生了变化。所以人耳听到汽笛的音调发生了变化。1.3 激光多图4观察运动光源发出的光频率如下图观察者在坐标系原点观察一沿x轴正方向以速度u 运动的光源发光的频率,观察得到的光频率 u为光源的运动速度 。假设光源运动速度u向X轴的反方向,那么观察者观察到的光频率f与光源固有频率间的关系变为频率

12、增加了。光学的多普勒效应中有两个根本的概念，就是光的红移和蓝移。红移就是一个天体的光谱向长波红端的位移。1929年美国天文学家哈勃经过观察和研究发现，遥远的星系均远离我们地球所在的银河接近光速的90%要表达在激光测速。自从1964年Yeh等人证实了可利用激光多普勒技术测量流体速度之后，激光多普勒测速仪就迅速得到世人的亲睐，因为其具有的精确度高，不扰动流场，线性度好，动态响应快，测量范围广及其非接触测量等优点，在航空航天，机械，医学和能源领域等到广泛应用和快速开展。如测量固体流速，测量液体流速，测量风速，测量湍流分布，测量微粒运动和燃烧中流场分布等。他的工作原理是用激光照射在运动物体上，参考光束

13、型激光多普勒测速仪就会在物体外表发生漫反射，物体反射回来的光作为信号光，他相对于参考光频率会发生变化，这个频率的变化量会和物体运动的速度成正比，信号光和参考光在光电探测器的光敏面上进行干预，就形成了多普勒输出信号。1.4 电磁波多普勒效应，C为光速，f为发射频率，f为所测频率。其中光速,但是在实际介质中电磁波的传播速度，其中为介电常量，为磁导率电磁波多普勒效应的发现翻开了人类探索自然科学的新纪元，第三章将对其具体应用作相应介绍2. 多普勒效应实验及其改良 目前各大高校都在致力于多普勒效应的相关实验研究工作，主要还是围绕多普勒效应的声波、光波和电磁波原理和应用展开。下面分别就光学、声学和电磁学领

14、域介绍具有代表性的多普勒效应实验。2.1激光多普勒效应实验 实验目的1掌握激光测速仪的使用方法2式中为声源发射频率，u为为接收器运动速率，为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，为声源运动速率，为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角1假设声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度v运动，由 得到2当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负 实验步骤1. 检测室温，自动调谐频率2. 选中“多普勒效应验证实验，并按“确认；3. 确定测试总次数，点“开始测试4. 准备好后，按“确认，仪器自动记录小车移动速度及与频率；5. 通过改变砝码的数量实现小车速度由大到小的改变6. 完

15、成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，比照小车速度与仪器检测速度，仪器自身频率与检测频率的变化就可以知道激光是否发生多普勒频移效应。2.2 多普勒超声测速实验 实验目的 1 通过该实验了解超声波多普勒效应测速原理与多普勒频移相关知识 2 掌握多普勒超声测速仪的原理与操作方法。实验原理验装置如下图，电机与超声头固定于导轨上面，小车可以由电机牵引沿导轨左右运动，超声发射头与接收头固定于导轨右端，假设超声发射频率为，接收回波频率为f，超声波在静止介质中传播速度为v，取向右为正。依据多普勒频移公式， 由于电路中不能表征负频移即不管靠近还是远离超声头，恒为正，所以在该系统中采用了标量表示：小车远离超声头

16、时速度公式：上面两个公式是进行测量的依据，在实验中，需要从示波器上相应波形读出与，并由上面两个公式计算得到小车的运行速度，再与仪器自动测量值进行比较。图7为超声仪器信号处理的原理框图，单片机通过计时器产生方波，该方波通过低通滤波器后获得正弦信号并耦合至发送换能器，发送换能器发出的超声波经小车反射后由接收换能器接收，此接收信号频率与运动物体频率符合多普勒频移关系，经过带通滤波器滤除噪声以后与发送波经模拟乘法器频率叠加后，产生差频和其余相关频谱，经过低通滤波器滤除噪声以后取出差频信号，该差频信号经过整形送至MCU处理，MCU根据测得频率计算出运动物体的运动速度。实验内容 a. 如图顺序连接好实验仪

17、器，小车和超声头尽量保持水平。b接通电源，将电机速度调整到20%，通过光电门测量并记录小车速度v。c. 多普勒仪选择“多普勒测速并点击“确认进入测量，其中：“测得速度指多普勒方式测得的小车运动速度；“误差指多普勒方式与光电方式测速之间的相对误差。d. 将小车改变方向，重复上述实验之后改变小车速度，使之为40%、60%、80%重复上述步骤。e. 记录实验数据。 电机速度 20% 40% 60% 80%方向靠近 远离靠近远离靠近远离靠近远离光电门显示速度vm/s0.20.20.40.40.60.60.80.8多普勒仪显示速度u m/s 0.190.210.410.390.580.590.770.7

18、6 误差0.050.0480.0200.0150.0340.0170.0120.013实验讨论未来实验的准确性电机速度需要在10%-80%之间，超出该范围容易导致电机无法启动或发生异常。本实验是验证声波的多普勒效应，由于声波的传播需要依赖介质，因此保持相对稳定的温度条件对与实验的成功很重要2.3 电磁波多普勒效应实验 实验目的1理解电磁波多普勒效应测速的原理2了解多普勒测速仪的使用方法根本原理对于电磁波,根据相对性原理和光速不变原理, 如果电磁波源和观测者以速度沿着二者连线互相趋近, 那么所测得的频率f 与电磁波源的频率f的关系为c为光在真空中的传播速度。同时电磁波还存在横向多普勒效应,即当电

19、磁波源和观测者的相对速度垂直于它们的连线时, 观测者所测得的电磁波频率为如果电磁波源和观测者之间的相对速度与它们之间的连线成角, 那么观测者所测得的频率为在实际测量时, 由于不便在被观测物体上加装接收装置, 因此, 采用了接收由被测物体反射回天线的电磁波的方法，电磁波在此过程中经历了两次多普勒效应，另外根据理论分析可知, 对于低速移动物体, 其径向多普勒效应较横向多普勒效应要显著得多。因此可以认为在实验室条件下演示实验所观测到的多普勒效应根本上就是电磁波的径向多普勒效应, 它表达了物体相对于天线运动速度的径向分量的信息可以求得速度的径向分量的近似值。图8天线发射的电磁波遇到障碍物时局部被反射回

20、来由电磁波的多普勒效应可知反射波和发射波有一个频率差，这两路信号在天线上叠加会形成一个叠加信号其频率就是发射波和反射波频率的差值，低通滤波器将该信号取出送至低噪声运放N E5532及周围元件组成的放大器对信号进行小信号放大3运算放大器以及数字电位器组成了可编程放大器提供了电压增益，由于反射物的性质不同以及反射物和天线的距离差异造成了反射波的强度变化范围较大A/D转换器将量化后的数据送入CPUCPU获取数据信息后,控制液晶显示器进行显示并将数据存储于数据存储器中通过键盘可向CPU发送结束实验的命令然后记录实验数据记录可得探测物体移动速度在每个采样点上的估计值，CPU和串行接口适配器组成了串行接口

21、电路调用串行通信子程序将数据存储器中的数据信息发送给计算机4显示出叠加信号的波形图移动物体运行速度估计的曲线图和物体运动的3D图像实验步骤 a.在足够长的公路上安装好多普勒测速仪，保证稳定工作 b.将一辆汽车以恒定速度驶向实验仪器，观察并记录仪器的显示数据速度v。 c.改变汽车行驶方向，重复上述操作，并记录数据。 d.改变汽车速度，重复上述操作，并记录数据，将汽车显示速度和仪器显示速度进行比照。,是理论联系实际的纽带,也是培养学生动手能力和创新能力的唯一途径。尤其的多普勒效应的实验能使学生更加深刻地从原理到现象的理解其过程。随着大学生就业形势的严峻,理论知识掌握的扎实程度和动手操作能力的强弱显

22、得尤为重要。多普勒效应教学与实验室的优化整合给学生提供了很好的从事科学研究的地点和空间,从而使学生能够主动思考,调动学生探索科学知识的积极性,学生才能够在实验室受到良好的实验技能方面的训练,从而为国家培养适应社会开展需要的高素质人才。现阶段多普勒效应实验室同样存在着很大的缺乏，紧缺的基金直接影响着实验根底配套设施的供给。多普勒效应实验的专业技术人员的更新较慢，也制约这实验的开展，只有不断的加强对实验技术人员的培训和接受现代化教育,不断的更新知识,吸取新知识、新技术、新方法,才有可能将多普勒效应研究走出实验室并在社会实践中做出更大的创造性或创新性奉献。3. 多普勒效应的应用3.1 在医学的应用3

23、.1.1. 全数字化彩色超声波诊断仪利用超声波的进行诊断和治疗的一门影像学科，称为超声医学。其临床应用范围广泛，目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。超声能向一定方向传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体的内部结构。利用这种原理，人们将超声波用于诊断和治疗人体疾病。根本原理：超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这

24、些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。医用超声诊断设备主要是指医学影像系统中的超声诊断装置，如B超，彩超等。目前超声检查约占各类医学影像检查方式中的25%，由于其价格比CT与MRI低廉又具有无创伤和实时获得人体内组织图像特点所以临床应用范围愈来愈广泛世界范围总销售额增长预计将超过X 线诊断装置。总体上看超声仪器已经成为医院里和X线机一样重要的根底设备了 国目前约有几十家单位从事超声诊断仪器的开发和生产产品种类和数量不断增加据统计,国内每年超声成像设备产销值在1千万以上的有十余家中国超声换能器

25、批量生产的品种已有线阵、凸阵、相探阵、机械扇扫探头频率范围从2.5MHz-12MHz已经能满足国内中低档B超临床诊断需要。但和国外相比仍有相当大的技术差距。主要表现在换能器复合材料研制能力缺乏高密度换能器制造技术水平有待提高。医学超声工程技术开展背景和计算机、声学、电子、材料等科学紧密相关其产业很大局部依赖他们的支撑,超声诊断仪器是一项涉及到生物学、医学、超声学及物理学等多学科交叉的研究领域超声诊断仪器的研究开发需要投入巨大的人力、物力和财力特别是一些根底研究更是投入大周期长。国内超声诊断仪器生产的品种和数量在今年之间已经得到很大的开展超声诊断仪器全数字化内容包括以下几种 1 全数字波束 2

26、软件超声技术即开展软件无线电技术，可以节省大量硬件本钱及系统空间有利于小型化。超声诊断仪器可以借助全数字化波束形成的前端硬件平台采用高速计算机运算技术开发应用软件模块、信息处理软件以节省大量后端硬件本钱增加灵活性。 3 一体化超声图象工作站：即实现异地之间图像的传输、交换信息及联合会诊。现阶段我国约一万五千多所县级医院开展性能价格比高的中低档彩超来装备这类医院将会对彩色多普勒诊断技术普及推广起很大的推动作用其社会效益也是很显著的。手提便携式超声诊断仪因其灵活便捷的特点在社区医疗床旁超声急诊救护战地诊疗等方面显示出极大的优越性可弥补大型仪器体积大移动不方便的弱点便于危重或急症病人的诊断。5医学超

27、声仪器已经在临床上得到了广泛的应用但是医学超声仪器的开展远还没有到达尽头还有许多工作有待于工程技术人员和医生联合攻关去解决。在可以预见的未来超声治疗技术可能还会有较大的进展全面提高现有系统的性能为了满足临床诊断的需要进一步全面提高系统的性能包括探查深度、空间分辨率、成像速率等指标一直还是工程开发人员致力研究的目标。尽管由于超声在人体中传播时不可防止的存在声衰减、波束发散等问题,影响着系统性能指标的提高但应该说在现有根底上进一步提高这些性能指标还是有可能的。3.1.2 乳腺癌多普勒超声诊断进展 乳腺癌是困扰女性的最常见的恶性肿瘤病症之一，早期发现对于病情的改善意义重大。恶性肿瘤是指活泼的不受机体

28、限制无限生长的细胞，能释放生长因子刺激产生新生血管，这些血管数目众多，积聚在肿瘤边缘，导致壁薄，缺乏基底膜和肌层，走行紊乱，迂曲，内径粗细不一，同时伴有官腔的狭窄和堵塞血管通透性增加，这种结构和功能的异质性往往累计整个血管树，出线许多病症，这些特点为乳腺癌多普勒仪提供了病理根底。CDFE彩色多普勒血流成像是采用直接显示红细胞运动速度的平均频移信号，同时也接收来自组织内部杂乱超声频移信号。由于信噪比较低，只能检测出较大血管即肿瘤血管的信息，而对于低速，低流量的新生微血管无能为力。另一方面，PDI通过检测多普勒频谱中幅度信号技术提高了对血流的敏感度，又由于他的无角度依赖型和混叠现象，信噪比相对很高

29、，在检出低速血流信号方面展露头新。通过观察恶性肿瘤的血管数目，以超声图像上一幅断面所能探及的最多血管数目为依据，3条血管为临界线，可以对乳腺肿块的良恶性进行划分。还有一种是根据血管的丰富程度将血流信号进行分级，病灶内少量或没有血流，血管管径 1mm为良性。第三种以连续扫描4秒的彩色捕获像为根底，计算每平方厘米内血管数和彩色像素占总面积的百分比，用彩色像素平均密度与血管平均密度及血流速度结合可作为乳腺肿块血管的定量判断指标。 尽管乳腺良恶性肿瘤在血管形态学、血流动力学指标方面的变化为多普勒超声鉴别乳腺肿块性质、评估预后提供了依据，但无造影剂增强的多普勒超声对低流量低速的细小血管难以显示，不能提供

30、肿瘤早期血管生成的信息，对少血供的乳腺癌容易漏诊，而且仪器及其调节也在很大程度上影响血管的显示。超声造影剂及现代超声检查技术在近十年来的飞速开展为乳腺肿瘤的诊断和鉴别提供了更好的平台，超声造影后使用高频探头，多普勒超声可显示直径约80一140微米以上的血管，而灰阶显像那么可反映直径加加40微米以下的小血管，在一定程度上克服了现有多普勒超声成像的局限，使超声对乳腺肿瘤血管生成的研究进入一个崭新的阶段。.1.3 激光多普勒血流测定 自从1975年，Stern首次报道应用激光多普勒血流测定仪监测皮肤微循环血流量。测血仪就在皮肤、肌肉、移植皮瓣、脑和肾脏等组织器官微循环血流监测的实验和临床应用研究不断

31、深入，取得较大进展。 其原理是利用血液中存在着大量的红细胞线度约为3到5微米当使用激光对生物体检测激光遇到红细胞将发生散射接受被散射的激光可以得到血流信息。在血管中血流速度存在一个随半径而变化的速度分布血流测量的目的是要获得血流方向、测量距离、血流速度和能量等有关信息并在显示器上同步于人体心脏运动给以直观、实时的声谱图像显示。对于生物体的平安激光波长窗为6001200nm，在这个测量范围内，生物大分子对光线的吸收相对较弱。从连续波激光器产生的发射光具有极强的空间和时间上的相干性，允许人们从散射光的相位和强度变化来分析散射介质内颗粒物质这里指血红细胞在很小范围即1m范围内的运动。最早其的试验途径

32、三利用激光多普勒狭缝灯作对生物体无伤害的多普勒位移测量，发现位移与眼底视网膜动静脉中血流有关。以后各种利用激光多普勒位移效应测量组织微循环血流量的仪器陆续出现。 激光探测过程是将激光源产生单色激光束通过探头进入生物介质，在测量深度内的毛细血管网内快速移动的血红细胞,根据多普勒效应原理光的频率将会发生于红细胞运动相关联的变化,红细胞外表发生光散射而返回，返回的经过频率改变的光束就携带着运动颗粒的信息,然后将他展现得仪器上。多普勒位移发生的幅度和强度分别与测量范围内的RBC移动速度和数量密切相关，而与RBC移动方向无关。式中 与光子同运动细胞碰撞的平均次数和细胞平均速率的乘积成正比，由此提供微血管

33、网内颗粒物质流动的一种量度。图10位体积组织中RBC的量，公式如下：式中sc rbc 表示RBC的散射截面；RBC表示每立方毫米血液中运动RBC的个数.l表示探测光的平均路径长度测量深度到2/3以上光强度的最大深度，测量深度与激光强度、光波长度和探头光纤间距有关。3.2 多普勒效应在气象预警的应用3.2.1 多普勒天气雷达原理气象成像原理是首先激光多普勒风速仪于1964年试制出第一台样机后受到世界各国的普遍重视多普勒天气雷达是目前世界上最先进的雷达系统传统的天气雷达只能提取回波中的强度信息而多普勒天气雷达不仅可以提供云层的信号强度，还可以从回波中提取云雨运动的速度和方向以及相应的普款信息，加强

34、了天气雷达的监测和预警能力。技术的不断开展，多普勒天气雷达的探测能力越来越强，包括降水、气旋、雷暴、冰雹、冻雨等多种天气灾害，通过天气监测能打到减灾防灾的作用，它将在气象业务中占有重要地位。多普勒天气雷达的工作原理就是以多普勒效应为根底。多普勒天气雷达向空中发射脉冲式电磁波，它以接近直线的路径和光的速度在大气中传播，当电磁波遇到云雨颗粒等大分子物质如水滴，冰雹等就会向发生散射效果，被散射的局部波信号返回到多普雷天气雷达并被接受，然后推算出目标的空间位置和移动信息。这些信息除了探测云和降水回波的位置和强度外，还可以测定散射体相对于雷达的径向速度，从而确定大气风场、气流垂直死敌的分布及湍流等。它有

35、以下儿个优点：1在测量过程中, 仪器本身不进入流场, 因此与传统的测量方法不同,它不会扰乱流场。2测量精度高, 特别在小的流速下可以测到每秒零点几毫米。3不受温度、湿度、压力、密度等因素的影响,不需要用其它仪器校准。4测量工作可在解时完成，测量数据为某一点的瞬时速度、因此，适合测量大尺度和高频率的湍流。5空间分辫率很高，可达0.03立方毫米,并可进行二维或三维测量。6测量范围广。 其次用电磁波天气雷达，多普勒频率的获得是用所谓“光外差 法，即将两束不同频率的光同时射入光电管的阴极由于光电效应的非线性感应输出电流将在一个直流分量上叠加一个频差再通过滤波网路将直流讯号与交流讯号分开最后便获得多普勒

36、频率。天气雷达的天线由辐射体和反射体两局部组成，反射体通常采用抛物面型，辐射体是用波导管扩展而成的喇叭口，位于抛物面反射体的焦点上。从发射机来的电磁波能量，由喇叭口辐射出来，经过抛物面反射体的反射，聚集成一束狭窄的强电磁波向空间定向地辐射出去。在天线方向图上主要辐射能流密度集中两个半功率点方向的夹角内称主瓣侧面的称为旁瓣。雷达在发射电磁波时，遇到一般的散射目标物，旁瓣不显示出来，但在云中冰雹形成区散射特别强时，旁瓣产生的回波虽然弱但能被显示出来，形状与强回波区形状类似，形成位置与强回波区位置夹角在度或以上，并与强回波到雷达的距离相等。当天线主波瓣扫描在冰雹云外时，旁瓣已到达冰雹云所在位置，雷达

37、那么误认为是主瓣产生的回波而将其放在了主瓣所在的位置上，从而形成虚假回波旁瓣回波。旁瓣回波的存在通常会干扰雷达的正常探测，因此设计雷达时对旁瓣的有效抑制是雷达的技术指标之一。3.2.2 多普勒天气雷达对航天领域的作用现代民用航空运输追求的目标和效劳宗旨平安至上，航空运输的最大特点是在大局部操作在空中进行的，任何天气的因数对于航天领域都是至关重要的先决条件，因此，掌握快捷、全面、精确的天气信息技术对于飞行活动具有重大的影响，加强航空气象保障工作对航天活动的平安、正常和效率意义重大。多普勒效应天气雷达既是航天器的启明灯，也是忠实的卫士，为人们的出行保驾护航。多普勒雷达可以提供全天候、即时准确的气象

38、信息。气象是影响航空平安的重要因素，根据国际名航事故报告，近20年来飞机电子设备有了显著改良，在航空业务中亡人事故总的趋势在减少，单气象因素却有增无减。世界各国都在加大对天气预警的投资力度，以此来改善航空飞机的飞行条件，从而减少事故的发生。气象也影响着民用航空的重大工程决策，航空许多工程的决策都离不开气象条件，如机场的地址选择就是根据气象观测资料。首先是风对飞行的影响，在所有气象因素中，风速和风向对飞机的起飞和着陆影响最大，当飞机逆风起飞和着陆时，能产生附加的进气量，因此增加了飞机滑跑距离和着陆时间，使飞机的稳定性和操纵性加大，而顺风时却正好相反。风速无法把握方向的，当有侧风的时候，飞机的起降

39、变的更为复杂，在滑跑时，飞机两翼受风的作用不相同，迎风的一面升力加强，背风一面却增加，这样在飞机的两侧形成了一个倾斜力矩，使飞机失衡，甚至转弯。在飞机起降时必须考虑风的影响，如1999年一架台湾航班在香港机场着陆时，由于侧风的影响导致飞机被吹翻滑离跑道，30多人伤亡的重大事故。地面控制台根据多普勒效应雷达不断提供即时的气象信息，可以有效及时的探测风速和风向。另外冰雹区域也是一种对飞行平安危害极大的恶劣气象区域，冰雹是水汽随上升气流进入冻结线凝成的冰粒，形成的冰粒由于重力将会下降，当下降过程中遇到暖流，外表会形成水膜，具有水膜的冰粒对雷达电波的反射程度很大，加之冰雹直径通常比雨滴大，所以这种冰雹

40、所产生的雷达回波很强，容易被气象雷达探测出来。具备足够的气象知识并熟悉雷达的特性飞行员，通过回波图像来发现危险冰雹区，及时改变航向。而对于飞行中最大的威胁之一不得不需要提到湍流。多普勒雷达通过湍流夹杂在一起的水粒反射雷达波时的效应来检测。被夹带的水粒在反射电磁波时，由于剧烈移动的特性，使他反射的雷达频率发生偏离，这使他明显区别于一般降雨所得到的回波信息。气象雷达根据接收到的这些频谱宽度就可以检测出湍流的具体信息。3.3 卫星通信中多普勒频移的快速捕获3.3.1 卫星通信中多普勒效应的影响无线信道主要特征是由多径传播引起的时延扩展和由于移动台运动引起的多普勒效应频移,以及由阴影效应引起的慢衰落。

41、对于无线信道的慢衰落和多径时延扩展, 已经有了很多的解决方案。与普通的移动通信环境相比, 高速移动环境中的无线信道最突出的问题是多普勒效应频移对通信产生的影响。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时频率变低。由于卫星漂移造成的传输时延所引起的载波的频率和数据速率不断变化的效应，就是卫星信号的多普勒效应多普勒频移。生活中由于我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这移动通信影响，为了防止这种影响造成通信中的，技术上加以各种考虑，移动通信的复杂性。在理想的情况下，基准站以恒定的速率发射基准突发，经过卫星转发给用户端。各个用户端看到的基准突发序列理论上应该同发射站是一样

42、的时间关系。但是由于卫星的移动，使得端口看到周期变化的基准突发序列，的信号频移。对于较低频段的系统, 可以采用增加保护带宽的方法克服多普勒效应频移引起的误码率问题。在采用多址技术的通信系统中, 整个系统带宽被分为假设干个不相重叠的子带来传输并行的数据流, 每个子带被称为一个信道,在接收端用一组滤波器来别离各个子信道。此时的多普勒效应频移很低, 为了防止子带间相互干扰, 可以在子信道之间增加保护频带, 从而多普勒效应频移产生的影响。该方法优点是实现简单, 且不增加传输时间, 但频谱的利用率低, 而且在频分路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。对于频段很高的3G系统, 一般解决的方法是在接收端估

43、计出频偏值, 再用均衡或同步的方法进行补偿。但这些方法都需要准确的信道估计, 在接收机移动速率很大、信道处于快衰落的情况下, 要实现准确快速的信道估计非常困难。而且一般的信道估计算法只能得到一个固定的频偏值, 所以在多普勒效应扩展的情况下不能到达很好的效果。LEO卫星通信系统通过设计适宜的调制解调方式, 使接收机对多普勒效应效应不敏感, 可以消除载波频偏以及相位漂移带来的影响, 如双信道解调器、双差分解调器等。这种方法同样可以应用于陆地CDMA 系统中, 但现有的非相干接收方式一般都会带来3到5dB的信噪比损失。3.3.2 多普勒效应在GPS导航系统中的应用全球定位系统 GPS 是上世纪70年

44、代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统GPS的根本原理是测量出位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。GPS导航定位卫星处于与地球赤道面成一个固定夹角的近圆轨道面上绕着地球高速运动,地面接收机之间存在径向运动从而产生多普勒频移。多普勒频移是影响卫星导航定位接收机性能的关键因素之一对伪码捕获和载波锁定速度有很大影响。利用多普勒频移推算物体的移动速度也是GPS测速的重要途径。因此准确的估计多普勒频移对GPS信号接收极为重要。多普勒频移的计算公式为:式中, c为光速f为GPS卫星的载波频率v为卫星的速率 3. 873 8 km/s 为卫星与地

45、面接收站的连线和卫星速度v的夹角因此,由控制中心提供的卫星位置和速度可以估算出某时某颗卫星的多普勒频移。由于GPS卫星与地球的运动规律共同决定了每颗GPS卫星相对于地球某点的运行周期即在同一地点某时刻的卫星状态与第二天该时刻约提前4分钟时的卫星状态相同。所以估计GPS卫星的多普勒频移特性只需估计某地任一23小时56分该地其他时间GPS卫星的多普勒频移可以相聚推算出来。GPS测速有多种方法其中包括卡尔曼滤波、位置求导和直接用多普勒观测值求解速度等3种方法。卡尔曼滤波的方法定位精度到达0.5m速度确定精度到达0.1 m/s位置求导方法理论上较为成熟实践起来也相对容易但其精度的提高依赖于定位方法的进

46、一步改善和定位精度的提高而动态定位中由于多余观测值较少提高定位精度并非易事多普勒求解法比第二种方法理论复杂实现起来比较困难但该方法对位置的精度依赖性不强一般码伪距确定的位置精度就可以满足要求，因此得到较为普遍的应用。利用求出多普勒频移观测量得到的载体速度具有可靠、高精度的特点。它可以应用于星载、机载、舰载及车载等的速度测量。3.4 多普勒在军事上的应用3.4.1 多普勒效应雷达工作过程3.4.1.1 相干脉冲雷达3.4.1.2 相控阵雷达 相控阵技术早在20世纪30年代后期就已经出现60年代，美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达，用于弹道导弹防御系统，使相控阵雷达得到不断地开展。相控阵雷

47、达有拥有密集的天线阵列，在传统雷达天线面的面积上可安装上千个相控阵天线，每个阵列都是一部雷达，因此具有多个雷达的功能。由于一个雷达可同时针对不同方向进行扫描，再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动，因此资料更新率大大提高，机械扫描雷达因受限于机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达那么为毫秒或微秒级。相控阵雷达的天线阵面由许多个辐射单元和接收单元阵元组成，这些单元有规那么地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波多普勒效应原理对目标进行扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。天线的单元数目越多，那么波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作根底

48、是相位可控的阵列天线，这就是相控阵名字的由来。通常的阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。相控阵雷达区别于普通搜索器具有许多优点。能对付多目标；功能多，机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束，分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能，提高系统的机动能力；反响时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，便于快速、准确地实施畦达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力；抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元根据不同方向上的需要分配不同的发射能量，易于实现自适应抗

49、各种干扰；可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多，且并联使用，即使有少量组件失效，仍能正常工作。 此外，随着固态器件的开展，格控阵雷达的固态器件越来越多，甚至已生产出全固态相控阵雷达，如美国的。“爱国者雷达，其天线的平均故障间隔时间高达15万小时，即使有10单元损坏也不会影响雷达的正常工作。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断开展和现代战争兵器的特点，其制造和研究更上一层楼。3.4.2雷达诞生于一战中的英国但基于多普勒效应原理形成的机载火控雷达诞生于第二次世界大战的美国它是现代战斗机火控系统的关键设备之一二战后随着航空电子技术的快速开展机载火控雷达的功能和性能不断得到提升其发挥的作用越来越受到重视但

50、是由于存在地杂波的缘故而难以检测到下视目标使早期战机的作战效能受到严重制约脉冲多普勒体制的研究使机载火控雷达下视功能实现了可能并不断升级。随后机载脉冲多普勒火控雷达得到迅速开展,使其成为先进战斗机即第三代战斗机的重要指标之一它实现了现代先进战斗机真正具有了远程、全天候全方位和全高度攻击能力。20世纪90年代以来,在数字技术和微电子技术的推动下,机载雷达对于多目标攻击、抗干扰以及一体化等功能和性能的更高要求使得相控阵技术开始广泛应用于机载火控雷达。在雷达搜索、跟踪功能中,一个完整的空/空任务至少包含搜索、截获和跟踪三种子功能,雷达工作的主功能就是搜索和跟踪。雷达的搜索功能往往能携带其他步骤同步进

51、行。首先边搜索边测距模式是对感兴趣的空域范围进行扫描搜索,提供目标的距离、粗略方位角、俯仰角以及速度等信息。然后边搜索边跟踪模式，是在发现目标后,自动建立起数个目标的跟踪航迹并进入测速阶段，测速阶段中机载火控雷达采用高、中、低三种脉冲重复频率波形利用多普勒效应对目标进行测速。最后开始空战搏斗模式，即两机近距离接触雷达能够即时迅速的捕捉并锁定对方。为适应近距离交战这一特点，最后一种模式对多普勒效应雷达的要求更高一是虚警率要求严格，一般高于常规搜索数倍以上，二是要求对一定距离上的目标自动截获,且截获速度要快三是扫描图形甚至扫描速度有严格限制四是在近距离搏斗时，载机和目标机的相对机动大幅度提高，要求

52、雷达在保证一定数据精度的要求下仍然保持稳定跟踪。雷达具有成像功能。实波束地图模式将实际接收到的物体回波强度数据来绘制地面的无线电比照图，方位分辨率接近于实际的雷达波束宽度。地图扩展子模式，它可以在实波束的根底上放大显示它的局部；当扑捉到关键信息时开启地图冻结子模式，此时画面冻结；冻结后利用多普勒波束锐化模式，根据波束内不同角度地块产生不同的多普勒频率的根本原理，将实波束的角度进一步细分从而可以获得更高分辨率的地图用来准确地确定地面导航标志和分辨地面目标；最后合成孔径模式利用载机的平台运动,通过先进的信号处理技术来合成等效长的天线孔径从而得到更高的分辨率地图,现代先进火控雷达已能做到约0.155

53、m的分辨率。机载雷达的重要功能是导航功能。导航功能分信标模式、载机测速、地形跟随、地形回避、气象回避五种。信标模式时机载火控雷达向地面信标台发射特定频率的询问信号，地面信标台收到询问信号后自动回复另一特定频率的信号，雷达收到信标台的回波信号后经过解码显示出信标台的方位和距离。载机测速是雷达天线在俯仰上进行扫描来自地面不同点回波的多普勒信息来测量载机的精确对地速度。了解自身速度后，载机根据多普勒雷达描画出来的地球剖面轮廓图沿地表纵向曲线起伏变化相一致的航线飞行，飞行员做出绕过或通过的选择提供参考。当飞机贴近地面飞行实施低空作战和低空空防时，地形跟随不能满足飞行需要，雷达自动根据地面的和其他一些描

54、述飞机性能的标志，充分利用地形条件掩护自己，避开地形障碍，避开敌方防空火力网的攻击。为了保证正常飞行雷达能通过探测前方航路上的气象回波来提示飞行员选择平安性的航线，避开恶劣天气区域。3.4.3.在人类航海历史上，水面导航占据着至关重要的地位，早期航海导航以自然天象如星星为主，逐渐开展成陆地灯塔，现代水面舰船的导航方法,主要有陆标、天文导航和无线电导航、卫星定位导航、推算导航、惯性导航系统等几种，虽然这些手段根本上可以满足水面舰船的导航需要。随着二战期间潜艇的出现，水面导航已经远远满足不了水下航行的需求，雷达出现以前，水面导航主要应用惯导系统，惯导系统的误差是随时间而积累的，在没有修正信息的情况

55、下难以满足长时间导航定位的要求。随着技术的开展水下目标及载体定位和导航的任务开始使用水声技术。这些系统可以在局部海域对水下目标进行高精度的定位，并对水下载体进行导航。但是需要在预定工作海域布设导航基阵，在复杂环境和未知海域存在很大工作困难。在水声系统的根底上出现了声学测速和计程设备，它可以测量载体相对海底的绝对速度。声学测速设备主要包括声相关速度声纳和多普勒声纳。声相关速度声纳的特点是载体上的发射换能器波束较宽，且向正下方发射信号。接收时采用多个水听器接收海底回波，通过各接收器接收信号的相关特性推算载体速度，其优点是基阵尺寸较小，缺点是浅水、低速情况下测速效果误差较大。因此水下航行器最常用的，

56、也是最可靠的水声测速设备是多普勒声纳。多普勒声纳向海水介质发射声波，声波被海底反射，产生海底回波，分析海底回波那么可以测量载体的速度。当频率为fo的声波在海水中传播时，有一局部能量被海底散射回来，这些回波信号经换能器接收、处理后可以测得其频率为fr。根据多普勒频移原理，只要声源或接收器与散射体之间有相对运动，那么f rfo，其差值为，并且满足下式：式中，为波束的俯角，V为声源或接收器的水平相对速度，c为声速.检测回波的频移可求得速度。多普勒声纳的优点是在很低的速度下仍有较高的测速精度。其缺点是在要求的海底跟踪深度较大时须采用较低频率导致基阵尺寸过大。近年来，已经研制出基于相控阵的多普勒声纳。这

57、种设备的基阵与常规多普勒声纳相比要小得多，可以无需考虑声速补偿，相控阵多普勒声纳已成为当今多普勒声纳的主流。水下航行器可以直接使用多普勒声纳导航，当多普勒声纳能够接收海底有效回波时，那么采用底跟踪速度数据进行导航；由于水深过大或者其他原因无法接收到海底有效回波时那么利用水层回波，测量载体相对于水层的速度来代替地速。为了满足长时间、远距离水下导航的需要如核潜艇，普勒声纳与惯性导航进行组合导航已成为主流搭配。甚至可以利用GPS技术，即航行器周期性地浮出水面接收GPS 信号并对导航系统进行修正。随着声学测速技术的进一步开展，利用多普勒效应进行测速，精度不断提高10。特别是宽带多普勒声纳的出现，其测速

58、精度相对传统的窄带多普勒声纳大大提高并且广泛应用多种水下航行器的导航。3.4.4.美国空军及波音公司与洛克西德?马丁和普惠公司共同开发的“猛禽战斗机代号F-22，他的问世，开创了各国战机向第五代的全新升级。作为F - 15的后继机, F-22的先敌发现、先敌开火和先敌击毁能力将使其在未来的战场上空建立高度控制。低可观测性、超声速巡航能力和先进的综合航空电子系统构成了F-22飞机高生存力的主要特征。除机动迅速和具有高强隐身性能外，装有高性能雷达和其他传感器,大大增强了其杀伤力和距离。APG-77使其可以在463 km以上的距离探测和识别其他飞机,而且采用截获概率很低的雷达在222 km 看到目标

59、，可率先锁定敌机并在被发现前将其击毁。基于多普勒效应的APG- 77雷达具有大约2000个很小的接收机和发射机,即发射、接收模块组成有源电子扫描阵,可以同时进行搜索、干扰和通信功能。并且完成这些功能所发射的电磁波不会使隐身飞机暴露其位置，这是因为F-22使电磁波以很短的时间发出,而且似乎以随机变化频率射向不同的地方,然后用高速处理机对回波进行综合,因此敌方很难将它探测出来。雷达还具有电子干扰能力。APG- 77传感器和计算机存储器识别敌方的雷达信号,确定敌方雷达需要建立锁定所需的时间,并保证干扰波束发出足够长的时间来把锁定断开。 APG- 77雷达的硬件由五大局部组成: 阵列天线/ 波束转向控

60、制器、雷达支持电子设备、射频接收机、阵列天线电源和安装设备。雷达支持电子设备包含子系统的六大功能: 接收机、鼓励器、最终频率降频变换、控制器、同步器、模拟到数字变换功能以及低压电源。达的设计实现了以下多个工作模态: 远距搜索、远距尾接搜索、全方位中距搜索、跟踪 多目标 、先进中距空对空导弹 、数据链能力 导弹更新 、目标识别、目标群别离 出击评估 和天气探测。雷达的拓展特征包括空对地合成孔径成像、空对地测距、增强的识别能力以及扩展的关系场。有源阵列技术设计方法实现了在雷达功能性能方面超过了常规战斗机雷达设计, 增加功率的口径提供了更远距离的目标探测、识别和跟踪性能从而带来更远距的导弹截获包线。

61、敏捷的波束转向为显著改善多功能隔行扫描和增强的波形设计奠定了根底。雷达的搜索作业和定时跟踪交联完成而战术测量校正仍维持其自身的最优波形特征。远距搜索波形利用警报确认探测战略来缩短停留时间。这些功能性能方面的改良成为提升F-22杀伤力的中枢内容。3.3.5 多普勒效应雷达模块化多普勒效应仪器模块化的概念来源于生产实践。它是随着产品结构复杂化和需求多样化而逐步形成的。随着科学技术的进步和开展，武器装备更新换代速度大大加快，只有多品种、小批量、优质、价廉的产品才能满足市场的需求，从而对各种装备型号研制及标准化工作不断提出更新更高的要求也更方便与运输和更新。八十年代中后期，模块化又作为一种标准化的崭新

62、形式，在各个应用领域中出现，并很快显示出强大的生命力和蓬勃开展的趋势。模块化设计也以其快速多变的优势迅速地被各行各业所采用。雷达产品也和其它产品一样，面临着同样的形势。各种战斗舰船对雷达的要求各异，同一种雷达也因装舰对象不同而有不同的要求。对于舰船雷达来说，多品种、小批量、要求高的特点尤为显著。作为研制单位，为了满足不同的实际需要，正在不断探索提高产品质量，缩短研制生产周期、降低本钱费用的途径。现代战争对技术更新的要求，提出了“多研制,少生产和“平战结合的方针。对于雷达装备，意味着瞄准现代战争要求，不断扩展和完善雷达的功能和性能指标，以及相应的电子对抗能力，提高雷达的可靠性。而解决雷达研制生产的多样化、规模小的矛盾，雷达设计模块化是必由之路，势在必行雷达模块化能使设计工作简化和灵活可以节省许多重复设计的工作量，这