多普勒效應(yīng)的研究報(bào)告與應(yīng)用論文

1、-PAGE 20. z 1 引言因波源和觀測者有相對運(yùn)動而出現(xiàn)的觀測頻率與波源頻率不相等的現(xiàn)象,叫做多普勒效應(yīng)。1842年,多普勒發(fā)表論文首次論述多普勒效應(yīng)。他推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對運(yùn)動時(shí),觀察者接收到的波長頻率會改變,在運(yùn)動的波源前面波被壓縮,波長變短,頻率變高；在運(yùn)動的波源后面波長變長,頻率變低。波源的速度越高,產(chǎn)生的這種頻率變化越大。觀測頻率變化的程度,可以計(jì)算出波源沿觀測方向運(yùn)動的速度。從此關(guān)于多普勒發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象得到了人們的廣泛關(guān)注，并拉開了研究多普勒效應(yīng)及運(yùn)用的序幕。2003年大學(xué)物理系國盛以光子假設(shè)為前提 ,利用動量守恒定律和能量守恒定律導(dǎo)出了相對論多普勒公式，包括經(jīng)典力學(xué)中

2、的多普勒公式和相對論力學(xué)中的多普勒公式，并簡單討論了經(jīng)典力學(xué)的多普勒效應(yīng)1。在同年3月工學(xué)院數(shù)理系的別業(yè)廣通過研究認(rèn)為多普勒效應(yīng)是一切波動過程的共同特征，不僅機(jī)械波有多普勒效應(yīng),電磁波也有多普勒效應(yīng)2。在6月工學(xué)院數(shù)理系的*國旺和別業(yè)廣在引入速度矢量的根底上，導(dǎo)出了接收頻率與本征頻率的關(guān)系，并對多普勒效應(yīng)中觀察者所在處的振動方程進(jìn)展了初步探討3。除此之外 ,他們還用Mathematica 對一實(shí)例進(jìn)展了動畫演示。2004年科技大學(xué)理學(xué)院的運(yùn)以靜止和運(yùn)動的原子發(fā)射光子為例 ,運(yùn)用能量及動量守恒定律 ,從動力學(xué)角度研究了光的多普勒效應(yīng) ,說明光的多普勒效應(yīng)不但是一個(gè)運(yùn)動學(xué)問題 ,而且也是一個(gè)動力學(xué)

3、問題4。2007年5月交通學(xué)院物理教研室的胡成華從光的粒子性出發(fā) ,分析計(jì)算了運(yùn)動原子和靜止原子發(fā)射的光子的頻率 ,得到了完全一樣的多普勒頻移公式5。在接下來的一年中省氣象科學(xué)研究所的馬中元回憶了雷達(dá)氣象學(xué)的開展史和多普勒雷達(dá)工作原理，指出雷達(dá)利用電磁波的散射與吸收、衰減與折射和多普勒效應(yīng)等根本原理，塑造了多普勒天氣雷達(dá)并建立了我國新一代多普勒雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)，為在氣象業(yè)務(wù)中監(jiān)測和預(yù)報(bào)龍卷、冰雹大風(fēng)和暴洪等災(zāi)害性天氣發(fā)揮了重要作用6。2010年的黃小玉、江民、葉成志等對碧利斯引發(fā)湘東南特大暴雨的多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)展了分析7。另外，在研究天體、人造衛(wèi)星以及火箭的運(yùn)動時(shí)，多普勒效應(yīng)也是有效的方法之一；

4、在道路交通上它被廣泛應(yīng)用于檢查高速公路上行駛車輛的速度；在醫(yī)學(xué)診斷上被用于檢測臟器壁或血球的運(yùn)動速度；多普勒效應(yīng)還淺析了光譜頻帶寬度和給出了宇宙膨脹說的依據(jù)等。多普勒效應(yīng)理論的重要性及應(yīng)用的廣泛性，由此可見一斑。本文對多普勒效應(yīng)及其表達(dá)式作了分析與研究，并對于多普勒效應(yīng)在聲、光、電及其衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、臨床醫(yī)學(xué)、海洋開發(fā)、軍事領(lǐng)域、天氣雷達(dá)等各個(gè)方面最新的進(jìn)展及應(yīng)用作了詳細(xì)介紹，從而讓更多的人意識到研究多普勒效應(yīng)的價(jià)值和其在日常生活中的應(yīng)用。2 多普勒和多普勒效應(yīng)的簡介2.1 多普勒1803年11月29日 ,多普勒出生于奧地利的薩爾茨堡，多普勒在數(shù)學(xué)方面顯示出超常的水平,1825 年他以各科優(yōu)

5、異的成績畢業(yè),之后回到薩爾茨堡教授哲學(xué),后來又去維也納大學(xué)學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、力學(xué)和天文學(xué)。1841 年，正式擔(dān)任布拉格理工學(xué)院的數(shù)學(xué)教授，多普勒治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),曾經(jīng)被學(xué)生投訴考試過于嚴(yán)厲而承受學(xué)校調(diào)查,繁重的工作和沉重的壓力使多普勒的*每況愈下。1850 年,他被委任為維也納大學(xué)物理學(xué)院的第一任院長,可是3年后多普勒便在意大利的威尼斯去世,年僅49歲。多普勒的研究圍還包括光學(xué)、電磁學(xué)和天文學(xué),他設(shè)計(jì)和改進(jìn)了很多實(shí)驗(yàn)儀器。他才華橫溢、創(chuàng)意無限,經(jīng)常有各種奇思妙想,盡管并不是都可行,卻經(jīng)常能給別人以啟迪。2.2 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) Doppler Effect 是奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家多普勒于 1842

6、年在他的文章On the Colored Light of Double Stars中首先提出來的，因波源和觀測者有相對運(yùn)動而出現(xiàn)的觀測頻率與波源頻率不相等的現(xiàn)象,叫做多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者是奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯蒂安多普勒Christian Doppler ,18031853。該效應(yīng)是指當(dāng)波源與觀察者的相對位置發(fā)生變化的時(shí)候,觀察者接收到的波的頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。多普勒效應(yīng)已被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域,如多普勒雷達(dá)、多普勒聲納、多普勒B 超、多普勒測速儀、多普勒計(jì)程儀等等。3多普勒效應(yīng)的分類及表達(dá)式我們在日常生活和科學(xué)觀測中 ,經(jīng)常會遇到波源和觀測者相對于介質(zhì)而運(yùn)動的情

7、況。例如 ,火車汽笛的音調(diào) ,在接近觀察者時(shí)變高，而遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低,這種因波源或觀察者相對于介質(zhì)的運(yùn)動 ,而使觀察者接收到的頻率有所變化的現(xiàn)象，就是由奧地利物理學(xué)家多普勒christian doppler在 1842 年首先發(fā)現(xiàn)的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)可以分為兩大類：第一類為機(jī)械波的多普勒效應(yīng)。它包括以下幾種情形: 波源不動,觀察者相對于介質(zhì)運(yùn)動；波源運(yùn)動,觀察者不動；波源和觀察者同時(shí)運(yùn)動。第二類為電磁波的多普勒效應(yīng)。1842 年多普勒首先在聲學(xué)上發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)后,1930 年開場將這一規(guī)律運(yùn)用到電磁波圍，1938 年電磁波的多普勒效應(yīng)才得到證實(shí)。下面分別研究這兩類多普勒效應(yīng)。.1 機(jī)械波的

8、多普勒效應(yīng).1.1普遍公式我們首先對機(jī)械波在均勻各向同性媒質(zhì)中傳播時(shí)出現(xiàn)的多普勒效應(yīng)表達(dá)式進(jìn)展簡單推導(dǎo)并討論之。假設(shè)波源和觀察者都在運(yùn)動,且速度的方向不在同一條直線上。設(shè)和分別表示波源頻率和觀察者測量的頻率,和分別是波源和觀察者相對于媒質(zhì)的運(yùn)動速度,以表示波在媒質(zhì)中傳播的速度, 用和分別表示波源速度和觀察者速度與波源和觀察者連線間的夾角,如圖1所示。圖中任一波面上各點(diǎn)的相位與相鄰波面上各點(diǎn)的相位差都是,兩相鄰波面之間的距離就是波長。如果波源靜止, 則各波面是一系列的同心圓,而波源運(yùn)動時(shí),各波面就不再是同心圓了,亦即由于波源的運(yùn)動使得媒質(zhì)中振動狀態(tài)的分布與波源靜止時(shí)相比發(fā)生了變化, 即波長發(fā)生了

9、變化。此時(shí)觀察者觀測的波長應(yīng)為 1如果觀察者靜止,他觀測到的波速為,但是觀察者相對媒質(zhì)以速率朝波源運(yùn)動,所以他觀測到的波速應(yīng)為。觀察者觀測到的波速與測到的波長之比稱為觀測頻率,即即 2如果觀察者相對媒質(zhì)遠(yuǎn)離波源運(yùn)動時(shí),同理可推導(dǎo)出 3觀察者感覺到的頻率,取決于觀察者所用儀器(或人耳) 在單位時(shí)間接收到的完全波的數(shù)目。為單位長度上波的數(shù)目,則也表示單位時(shí)間觀察者所接收到的完全波的數(shù)目。2、3兩式便是機(jī)械波多普勒效應(yīng)的普遍公式1。 圖 1.1.2 幾種特例下面討論幾種特殊情況:1) 如果觀察者和波源在同一直線上相向或相背運(yùn)動,即，,或,則此時(shí)的多普勒公式為(4)2) 如果觀察者靜止而波源運(yùn)動,即,

10、且時(shí)有(5)當(dāng)波源靠近觀察者運(yùn)動時(shí),式中取負(fù)號,此時(shí)觀測頻率高于波源頻率；而波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動時(shí)取正號,此時(shí)觀測頻率低于波源頻率。3) 如果觀察者運(yùn)動而波源靜止,即, ,則(6)假設(shè)觀察者朝波源運(yùn)動取正號,觀測頻率高于波源頻率,這是由于觀察者迎著波傳來的方向運(yùn)動,使得單位時(shí)間觀察者所承受到的波數(shù)增多了；反之,假設(shè)觀察者背離波源即順著波傳播的方向運(yùn)動則取負(fù)號,觀測頻率低于波源頻率。4) 如果觀察者和波源都相對于媒質(zhì)靜止,即, ；或者觀察者和波源相對于媒質(zhì)以一樣的速度運(yùn)動,即它們相對靜止,則(7)此時(shí)不發(fā)生多普勒效應(yīng)。.2 光波電磁波的多普勒效應(yīng).2.1普遍公式由于光波(電磁波)的傳播不依賴于彈性

11、媒質(zhì),它與機(jī)械波需要靠媒質(zhì)而傳播有所不同, 所以機(jī)械波的多普勒公式對光波(電磁波) 不再適用。但是從理論上我們可以推證出光波電磁波的多普勒效應(yīng)公式。這里主要是考察光源和觀察者之間的相對運(yùn)動如何對接收到的光的頻率產(chǎn)生的影響。假設(shè)光源發(fā)出光波的頻率記作, 觀測者測得該光的頻率為，通過計(jì)算可得: 8其中,c為真空中的速度,為光源相對于觀測者的運(yùn)動速度,為光源相對于觀測者的運(yùn)動方向與光波傳播方向的夾角。8式便是光波電磁波多普勒效應(yīng)的普遍公式8。.2.2 幾種特例當(dāng)光源和觀測者沿其連線方向接近時(shí),即時(shí),有9此時(shí), 觀測到的譜線將向短波方向移動, 稱為藍(lán)移.當(dāng)光源和觀測者沿其連線方向遠(yuǎn)離時(shí),即時(shí),有10此

12、時(shí),觀測到的譜線將向長波方向移動,稱為紅移.當(dāng)觀測者在垂直于光源方向上運(yùn)動,即時(shí),有11此時(shí)產(chǎn)生橫向多普勒效應(yīng)8.當(dāng)時(shí),12.2.3 相對論力學(xué)中的多普勒公式一般的教材9，10中都只討論其經(jīng)典力學(xué)情況,美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者費(fèi)曼(R. P. Feynman) 曾用洛倫茲變換討論了相對論力學(xué)的情況,得出了重要的相對論多普勒公式。 設(shè)慣性系相對于慣性系以速度沿軸方向運(yùn)動,為簡單起見僅考慮一個(gè)輻射原子的情形。設(shè)該原子在系里發(fā)射光子之前是靜止的,該原子在發(fā)生量子躍遷前后的靜止質(zhì)量分別為和,當(dāng)該原子發(fā)射光子時(shí),它必須反沖以保持動量守恒,射出的量子的動量為。根據(jù)能量守恒定律有 13式中T是發(fā)射之

13、后原子的動能,是射出的光子的能量。假設(shè)令轉(zhuǎn)變能為 14則式(13) 變?yōu)?。顯然,在S 系里,該原子在發(fā)射前后分別具有速度和。能量守恒定律和動量守恒定律可表示為151617式中,而是和之間的夾角,是和射出的光子的動量之間的夾角；而是光子相對于系的能量。式(14)(17)得:18對于情形,有 19因而,射出的光子相對于系具有能量。將式(19)再代回式(18)得: 20此式給出了同一個(gè)光子分別在兩個(gè)慣性系S和中的能量和之間的聯(lián)系。對于系,光子的能量和其頻率的關(guān)系為21對于S 系,光子的能量E 和其頻率的關(guān)系為22將式(21)和式(22)代入式(20)得23此即著名的相對論多普勒公式,它與光波電磁波多

14、普勒效應(yīng)的普遍公式是一樣的。該式實(shí)質(zhì)上給出了一個(gè)光子在兩個(gè)慣性系里能量之間的聯(lián)系。假設(shè)射出的光子的動量方向與一致,即,則24這便是通常所用的相對論多普勒公式1。4 多普勒效應(yīng)的應(yīng)用多普勒效應(yīng)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。比方，在研究天體、人造衛(wèi)星以及火箭的運(yùn)動時(shí)，多普勒效應(yīng)是有效的方法之一；在道路交通上它被廣泛應(yīng)用于檢查高速公路上行駛車輛的速度；在醫(yī)學(xué)診斷上被用于檢測臟器壁或血球的運(yùn)動速度。除此之外，多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),在軍用和民用過程中取得了極大成功；超聲波的多普勒效應(yīng)利用記錄聲波散射強(qiáng)度,可以判斷海洋污染程度,分析廢物污染速度，還能測繪海底地貌；多普勒天氣雷達(dá)能夠?qū)?zāi)害性天氣進(jìn)展監(jiān)測和預(yù)

15、警等。下面分別論述。4.1 聲波的多普勒效應(yīng)及應(yīng)用當(dāng)一列鳴笛的火車經(jīng)過*觀察者時(shí),他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高變低。這是因?yàn)槁曊{(diào)的上下是由觀察者耳膜振動頻率的不同決定的,如果頻率高,聽起來聲調(diào)就高,反之聽起來聲調(diào)就低,這就是聲波的多普勒效應(yīng)。當(dāng)火車以恒定速度駛近觀察者時(shí),汽笛發(fā)出的聲波在空氣中的傳播結(jié)果是波長縮短。因此,在一定時(shí)間間隔進(jìn)入人耳的聲波頻率就增加了,這就是觀察者感受到聲調(diào)變高的原因；相反,當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時(shí),聲波的波長變大、頻率變低,因此聽起來就顯得消沉。近年來,一種超聲脈沖多普勒血流測量技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上開場廣泛應(yīng)用。當(dāng)聲源或反射界面移動時(shí),所發(fā)射和散射的超聲波頻率會發(fā)生變化。比方,當(dāng)

16、紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時(shí),從其外表散射的超聲波頻率發(fā)生改變,這種頻率偏移可以指示血流的方向和速度。如紅細(xì)胞朝向探頭時(shí),根據(jù)多普勒原理,反射的聲頻提高,如紅細(xì)胞離開探頭時(shí),反射的聲頻則減小。將超聲脈沖多普勒技術(shù)用于心臟研究,可以估計(jì)血流的血液動力學(xué)特征,如血流方向和血流性質(zhì)等。聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是我們平常說的彩超。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白超再加上彩色多普勒，首先說說超聲頻移診斷法，即超，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運(yùn)動時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，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

17、是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)展多普勒信號處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號經(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，彩色多普勒超聲即彩超既具有二維超聲構(gòu)造圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡送，在臨床上被譽(yù)為非創(chuàng)傷性血管造影。 另外， 交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率的超聲波同時(shí)測量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測速儀的監(jiān)視器有時(shí)就裝在路的上方，在測速的同時(shí)把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上。4.2 電磁波的多普勒效應(yīng)及應(yīng)用1957 年,原聯(lián)發(fā)射了人類歷史上的第一顆人造地球衛(wèi)星,美國科

18、學(xué)家在對其跟蹤研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)衛(wèi)星飛向他們的無線電接收機(jī)時(shí),收到的電波信號頻率增大；衛(wèi)星離去時(shí),收到的電波信號頻率減小,這就是電磁波的多普勒效應(yīng)。根據(jù)電磁波的多普勒效應(yīng),在衛(wèi)星通過無線電接收機(jī)上空期間,利用測定的各個(gè)電波信號的頻率變化量,就可以確定衛(wèi)星的整個(gè)軌道。后來,另一位科學(xué)家逆向思維,提出了一個(gè)相反的想法:如果事先知道衛(wèi)星的準(zhǔn)確軌道,根據(jù)電磁波的多普勒效應(yīng),就可以確定無線電接收機(jī)的位置。這個(gè)設(shè)想很快被美國有關(guān)部門采用,天上的交通警察多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)11,在軍用和民用過程中取得了極大成功,是導(dǎo)航定位史上的一次飛躍。但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號載波頻率

19、低,軌道精度難以提高,使其定位精度較低,難以滿足準(zhǔn)確測量的需要。為了提高精度,美國從1973 年開場籌建全球定位系統(tǒng)(GPRS)。在經(jīng)過方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后,于1989 年開場發(fā)射正式工作衛(wèi)星,并于1994 年全部建成、投入使用。GPS 系統(tǒng)包括24 顆人造衛(wèi)星,每12 小時(shí)繞地球1 圈,每個(gè)衛(wèi)星都能發(fā)出包含其位置、時(shí)間數(shù)據(jù)編碼的信號,準(zhǔn)確度可達(dá)9 - 10秒,這些衛(wèi)星按照一定方式排列,使地球上任何一點(diǎn)都至少能同時(shí)接收到4 顆衛(wèi)星發(fā)出的信號,無論地球的任何地方、任何時(shí)候、任何天氣條件,地面接收者都可以通過解讀這些信號準(zhǔn)確定出自己所處的位置。多普勒氣象雷達(dá)是目前世界上最先進(jìn)的氣象雷達(dá),廣泛用

20、于氣象、民航等部門。它根據(jù)其發(fā)射的電磁波與云雨區(qū)回波信號的強(qiáng)弱測定降水強(qiáng)度,利用返回信號因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率變化,測定云雨中降水微粒的移動速度。由于雷達(dá)天線可在不同的角度上作水平旋轉(zhuǎn),因此可測定三維立體空間中云雨區(qū)分布和云雨區(qū)中降水微粒的相對移動,這對研究降水的形成,分析中、小尺度天氣系統(tǒng),預(yù)報(bào)強(qiáng)對流天氣具有重要意義。我國從1998 年開場在、，番禺、等地建成多普勒氣象雷達(dá)站,大大提高了短時(shí)天氣預(yù)報(bào),特別是突發(fā)性、災(zāi)害性、強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,增強(qiáng)了我國氣象災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警能力?，F(xiàn)在 ,交通警察常用測速雷達(dá)測量汽車的速度 ,判斷汽車是否超速 ,其原理就是利用紅外線的多普勒效應(yīng)。4.3 光的多

21、普勒效應(yīng)及應(yīng)用具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng). 因?yàn)榉▏锢韺W(xué)家斐索18191896年于1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的方法.光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍(lán)移。1917 年,愛因斯坦建立了廣義相對論,開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論研究。愛因斯坦放棄了無限空間的概念,認(rèn)為宇宙的體積是有限的,但是沒有邊界。對于宇宙而言,單個(gè)恒星作微小的運(yùn)動,可以忽略不計(jì),進(jìn)而可以把宇宙近似地看成靜

22、止不動的。1929 年,哈勃在仔細(xì)研究了一批星系的光譜之后發(fā)現(xiàn),除了與銀河系較近的三個(gè)星系表現(xiàn)為向銀河靠近的藍(lán)移外,其他所有星系光譜都表現(xiàn)出紅移,而且紅移量大致同星系的距離成正比。所有恒星的質(zhì)量差異不大,均為太陽質(zhì)量的0.07 至120倍,因而紅移都相當(dāng)小。星系是由恒星組成的,故其光譜紅移不可能是恒星的引力場產(chǎn)生的,只能由光波多普勒效應(yīng)產(chǎn)生。由于我們在宇宙中并不處于特殊的中心位置,因而宇宙中所有星系都在彼此遠(yuǎn)離,即宇宙處于普遍的膨脹之中。如果星系目前正在彼此遠(yuǎn)離,則它們過去必定靠得更近。繼續(xù)這一推理就意味著過去必定存在一個(gè)有限的時(shí)刻,那一時(shí)刻就是宇宙的開端,也就是通常被稱為大爆炸,由此得到宇宙

23、大爆炸模型12。該模型認(rèn)為:宇宙發(fā)端于距今 100 多億年前的大爆炸,隨后以指數(shù)方式膨脹著,部發(fā)生真空相變,產(chǎn)生根本粒子,形成星系。星系本身局部裂成千千萬萬顆恒星。恒星周圍的塵粒通過相互吸引碰撞粘合,最后形成從小行星到大行星的形形色色的天體。4.4 超聲波的多普勒效應(yīng)及應(yīng)用4.4.1 超聲波無損檢測超聲波在材料中的穿透力和傳播方向性非常好。超聲波探傷是通過型號往返于缺陷的傳播時(shí)間來確定缺陷與外表的距離,通過回波信號的幅度和發(fā)射換能器的位置來確定大小和方向。A 掃描法是脈沖反射法,B 掃描法可顯示工件部缺陷的縱截面徒刑,C 掃描法可顯示工件部缺陷的橫截面圖形。就它的物理性而言,用超聲波法可以無損

24、檢測厚度,材料硬度,硬磁深度,晶粒度,液體流量剩余應(yīng)力和膠結(jié)強(qiáng)度。4.4.2 醫(yī)學(xué)診斷超聲診斷13的物理根底,主要是利用超聲波在界面的反射,由于人體部位置與器官的聲阻抗不同,超聲波進(jìn)出器官時(shí)在界面上形成不同頻率的反射波。當(dāng)器官發(fā)生病變或異物時(shí)由于形狀位置和聲阻抗的變化,界面上的反射波的強(qiáng)度和位置也發(fā)生了改變,臨床就是利用這一特點(diǎn)來進(jìn)展診斷的。超聲全息照相為醫(yī)學(xué)提供了不同于*射線和同位素掃描的一種全新診斷技術(shù),*射線和同位素診斷對于人體會產(chǎn)生一定的危害,但超聲全息技術(shù)通常使用的最高功率圍僅為每平方厘米幾百毫瓦,實(shí)驗(yàn)證明這樣低的超聲功率對人體組織不會有損害。利用* 射線對于骨骼、胃腸、腎和血管等進(jìn)

25、展診斷時(shí),病人要服造影劑或其他措施,以獲得有比照度的照片。在同位素診斷中,病人要口服或注射同位素, 這些都會給病人帶來不舒適的感覺。在美國,L. weiss 等人應(yīng)用液面超聲波全息照相裝置對老鼠腹部腫瘤進(jìn)展了觀測, (腫瘤是人工移植的) 51 個(gè)腫瘤中可看到49 個(gè),確診率到達(dá)96 % ,確診腫瘤中用* 射線僅能看到一半。超聲波診斷簡易、迅速，且對患者無傷害、無痛苦,特別是對人體軟組織的診斷最為有效。4.4.3 海洋開發(fā)檢測海洋污染,利用記錄聲波散射強(qiáng)度,可以判斷海洋污染程度,分析廢物污染速度等；測繪海底地貌,特別是現(xiàn)今隨著光纖技術(shù)的飛速開展鋪設(shè)海底光纜對海地地貌勘測已成為一項(xiàng)十分迫切的前期工

26、作；海洋聲學(xué)遙感,非聲學(xué)海洋遙感。例如微波,紅外及衛(wèi)星遙感等共同缺點(diǎn)是穿透海洋部,但超聲波可到達(dá)海底深處,從而測得整個(gè)海洋空間和海地參數(shù)。4.4.4 軍事應(yīng)用1950年人們研制出第一代多普勒雷達(dá),這對飛行器自備式導(dǎo)航開辟了廣闊前景?，F(xiàn)如今多普勒雷達(dá)已成為了各類飛行器自備式導(dǎo)航的必須設(shè)備,并且在未來反侵略戰(zhàn)爭和空間開發(fā)技術(shù)中,發(fā)揮更大的作用,給出更準(zhǔn)確更可靠的導(dǎo)航信息。聲納是利用聲波進(jìn)展導(dǎo)航預(yù)測距的意思，多普勒聲納14是根據(jù)多普勒效應(yīng)研制的一種利用水下波來測速和計(jì)程的精細(xì)儀器。用聲納可以水下偵察,從發(fā)射機(jī)電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號又遇到潛水艇、水雷、魚群等反射回來就能確定目標(biāo)的位置。二戰(zhàn)中損失了100

27、0 多艘潛艇,其局部都是被聲納發(fā)現(xiàn)的,因此把聲納裝在潛艇上,搜索潛艇、探雷擔(dān)當(dāng)戒備充當(dāng)耳目。4.5多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用4.5.1 對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)警多普勒雷達(dá)6觀測的實(shí)時(shí)回波強(qiáng)度發(fā)射率因子Z、徑向速度V、速度譜寬W的圖像中，提供了豐富的有關(guān)強(qiáng)對流天氣的信息，綜合使用Z、V、W圖像，可以較準(zhǔn)確和及時(shí)監(jiān)測災(zāi)害性天氣?；夭◤?qiáng)度一直是判斷強(qiáng)對流天氣的重要參數(shù)，多普勒雷達(dá)中徑向速度分布圖也是判斷強(qiáng)對流的一種有效工具，因?yàn)?，?qiáng)對流天氣的出現(xiàn)和開展往往與氣流的輻合、輻散以及旋轉(zhuǎn)有關(guān)，在識別風(fēng)災(zāi)害時(shí)特別有效。4.5.2 龍卷災(zāi)害性天氣，最強(qiáng)龍卷的風(fēng)速介于110200m/s 之間。當(dāng)有龍卷出現(xiàn)時(shí)，總有一條

28、直徑從幾十米到幾百米的漏斗狀云柱從對流云云底盤旋而下，有的能伸達(dá)地面，在地面引起災(zāi)害性的風(fēng)稱為陸龍卷；有的伸達(dá)水面稱為水龍卷。在多普勒雷達(dá)回波識別中，龍卷主要由二類回波單體產(chǎn)生：一是超級單體回波；二是多單體回波。4.5.3 定量估測大圍降水多普勒雷達(dá)參數(shù)在建站時(shí)經(jīng)過仔細(xì)的校準(zhǔn)和標(biāo)定，在日常運(yùn)行中還會自動定時(shí)對雷達(dá)參數(shù)校準(zhǔn)和檢測，以保證雷達(dá)回波強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度與降水量Z- R 關(guān)系，對降水強(qiáng)度隨時(shí)間進(jìn)展累積轉(zhuǎn)換成降量，提供1 小時(shí)、3 小時(shí)累積雨量分布，從而做到定量估測大圍降水。4.6 雷達(dá)微多普勒特征提取和目標(biāo)識別目標(biāo)識別是軍事雷達(dá)應(yīng)用的一個(gè)重要局部。對空中、陸地以及海域中敵意目

29、標(biāo)識別的局限已經(jīng)一度被NATO(北約) 認(rèn)為是整個(gè)防御體系中最薄弱的環(huán)節(jié)15。在最大戒備圍和武器系統(tǒng)的射程以快速而準(zhǔn)確地進(jìn)展目標(biāo)識別仍然是目前很具挑戰(zhàn)性的問題。近年來 ,將微多普勒技術(shù)與雷達(dá)目標(biāo)識別結(jié)合 ,開展了基于微多普勒分析的目標(biāo)識別技術(shù)。下面將介紹微動在目標(biāo)識別領(lǐng)域取得的主要技術(shù)進(jìn)展和成果,分析其應(yīng)用前景和開展趨勢。4.6.1 目標(biāo)與識別國家的空間力量和空間戰(zhàn)略最重要的環(huán)節(jié)就是空間目標(biāo)探測和識別技術(shù)。微多普勒特征提取的分辨力可以到達(dá) 0. 3 Hz,因此對于 3 cm工作波長的雷達(dá) ,其徑向速度分辨力能夠到達(dá) 5 mm /s量級 ,這對稀薄大氣層各類飛行器的檢測分辨、跟蹤與識別是極為有用

30、的特征。美國海軍導(dǎo)彈防御委員會于 2001年對?；走_(dá)用于彈道導(dǎo)彈防御做了論證 。文中指出 ,對于導(dǎo)彈防御雷達(dá)系統(tǒng)來說 ,微動特征16是指威脅目標(biāo)自旋頻率和其他非常規(guī)運(yùn)動所蘊(yùn)含的獨(dú)一無二的特征,這些特征使雷達(dá)能夠?qū)楊^從誘餌和碎片中識別出來。美國正在研制的 THAAD GBR *2波段雷達(dá)能夠準(zhǔn)確測量威脅目標(biāo)的微動特征。彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的雷達(dá)微動特征提取為 TBMD目標(biāo)識別提供了一種很具潛力的手段。4.6.2 汽車引擎微多普勒研究現(xiàn)狀抖動是汽車引擎部燃料不完全燃燒導(dǎo)致的非正常工作狀態(tài)，頻繁而劇烈的抖動有可能對引擎造成損傷，由引擎抖動引起的汽車共振可以被用來進(jìn)展抖動檢測和引擎診斷。國外有很多關(guān)于引擎

31、抖動檢測的研究發(fā)表文獻(xiàn)17,18建立了一個(gè)由引擎抖動產(chǎn)生的隨機(jī)性振動信號模型 ,該模型由 N 個(gè)幅度和相位隨機(jī)的共振信號疊加而成。共振頻率和包絡(luò)函數(shù)由曲柄角決定基于這個(gè)模型 ,引擎一個(gè)燃燒周期的信號模型,時(shí)頻分布，利用雷達(dá)照射汽車外表所得到的回波可以檢測到這種振動信號。4.7 相參雷達(dá)與非相參雷達(dá)在雷達(dá)的應(yīng)用中 ,非相參雷達(dá)在早期運(yùn)用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和測定目標(biāo)的空間位置 ,但對于哨所類雷達(dá) ,這樣的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。相參雷達(dá)的應(yīng)用可以很好地解決這類問題 ,其與非相參雷達(dá)的最主要區(qū)別就在于多普勒效應(yīng)。相參性雷達(dá)指雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號、本振電壓、相參振蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號提供 ,這些信號之

32、間均保持確定的相位關(guān)系 即相位相參 ,這種雷達(dá)系統(tǒng)稱全相參系統(tǒng)。全相參是實(shí)現(xiàn)頻率捷變技術(shù) 用于抗瞄準(zhǔn)式干擾和線性調(diào)頻技術(shù)脈沖壓縮的根底 ,能產(chǎn)生復(fù)雜的波形。應(yīng)用比擬廣泛的脈沖多普勒雷達(dá)就是全相參雷達(dá)。非相參性雷達(dá)指發(fā)射信號與本振信號的相位不具有一致性 ,或者說不具有關(guān)聯(lián)性。接收機(jī)混頻信號與發(fā)射信號由各自單獨(dú)產(chǎn)生。相參雷達(dá)具有多普勒特性 ,所以也稱多普勒雷達(dá) ,其主要優(yōu)勢就是能探測運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動速度。目標(biāo)回波的多普勒頻移與其徑向速度 v 成正比 ,因此只要準(zhǔn)確地測出其多普勒頻移的數(shù)值和正負(fù) ,就可以確定目標(biāo)運(yùn)動的徑向速度和方向。在非相參性雷達(dá)中 ,因無法判斷是固定目標(biāo) ,還是運(yùn)動目標(biāo) ,所以就無

33、法濾除固定地物雜波和海雜波 ,從而只能顯示出全部采集信息 ,或者通過門限濾波對低發(fā)射率因子濾除 ,保存高發(fā)射率因子 ,這樣大大降低了數(shù)據(jù)分析的完整性和可信度。從以上非相參信號與相參信號的比擬可以看出 ,非相參只能利用目標(biāo)回波的幅度來直接檢測目標(biāo)和測量目標(biāo)的方位 ,這大大限制了雷達(dá)性能的提高。而相參雷達(dá)具有較高的距離和速度分辨力 ,但當(dāng)距離和速度分布圍超出清晰區(qū)時(shí),存在距離和速度模糊。解決這類問題主要是靠加大或減小脈沖重復(fù)周期 ,或者通過重復(fù)周在實(shí)際應(yīng)用中 ,非相參雷達(dá)與相參雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域有所不同 ,如果只針對測試氣象云層強(qiáng)弱方面 ,而無其他特殊要求時(shí)機(jī)場云霧檢測、人工降雨等,非相參雷達(dá)已足夠應(yīng)付

34、;如果需要對動目標(biāo)進(jìn)展分析時(shí)偵察探測跟蹤等,還是以相參雷達(dá)為主。5 完畢語多普勒效應(yīng)是一種重要的物理現(xiàn)象,它在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了多普勒效應(yīng)，并給出了不同波的多普勒效應(yīng)表達(dá)式。除此之外，對于多普勒效應(yīng)在聲、光、電及其衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、臨床醫(yī)學(xué)、海洋開發(fā)、軍事領(lǐng)域、天氣雷達(dá)等方面的應(yīng)用作了分析與研究，讓人們體會到多普勒效應(yīng)理論的重要性及其潛在的應(yīng)用價(jià)值。未來，多普勒效應(yīng)將有更廣泛的應(yīng)用，它會給人類的進(jìn)步和開展帶來促進(jìn)和推動作用。致本論文是在曉琴教師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題和相關(guān)文獻(xiàn)資料的查找，直到論文撰寫的整個(gè)過程，教師以其廣博的知識、豐富的經(jīng)歷和清晰的思路，自始至終給我以耐心地指導(dǎo)，使我能夠順利地完成論文寫作，她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作方式給我留下深刻的印象，令我受益匪淺。故借此論文完成之際，對教師表示深深地感。與此同時(shí)，在這里我還要感學(xué)校對我的栽培，以及所有教師對我的諄諄教導(dǎo)，使我在大學(xué)期間能夠掌握充足和扎