多普勒效应的研究与应用毕业论文教材

1、精品 1 引言 因波源和观测者有相对运动而出现的观测频率与波源频率不相等的现象 , 叫做多普勒效应。 1842 年, 多普勒发表论文首次论述多普勒效应。他推导 出当波源和观察者有相对运动时 , 观察者接收到的波长频率会改变 , 在运动 的波源前面波被压缩 , 波长变短 , 频率变高；在运动的波源后面波长变长 , 频率变低。波源的速度越高 , 产生的这种频率变化越大。 观测频率变化的程 度, 可以计算出波源沿观测方向运动的速度。 从此关于多普勒发现的这种现 象得到了人们的广泛关注，并拉开了研究多普勒效应及运用的序幕。 2003 年河南大学物理系尹国盛以光子假设为前提 , 利用动量守恒定律和能量守

2、 恒定律导出了相对论多普勒公式，包括经典力学中的多普勒公式和相对论 力学中的多普勒公式，并简单讨论了经典力学的多普勒效应 1 。在同年 3 月湖北工学院数理系的别业广通过研究认为多普勒效应是一切波动过程的 共同特征， 不仅机械波有多普勒效应 , 电磁波也有多普勒效应 。在 6 月湖 北工学院数理系的徐国旺和别业广在引入速度矢量的基础上，导出了接收 频率与本征频率的关系，并对多普勒效应中观察者所在处的振动方程进行 了初步探讨 。除此之外 , 他们还用 Mathematica 对一实例进行了动画演 示。2004年陕西科技大学理学院的刘运以静止和运动的原子发射光子为例, 运用能量及动量守恒定律 ,

3、从动力学角度研究了光的多普勒效应 , 说明光 的多普勒效应不但是一个运动学问题 , 而且也是一个动力学问题 4 。2007 年 5 月重庆交通学院物理教研室的胡成华从光的粒子性出发 , 分析计算了 运动原子和静止原子发射的光子的频率 , 得到了完全相同的多普勒频移公 5 式5 。在接下来的一年中江西省气象科学研究所的马中元回顾了雷达气象 学的发展史和多普勒雷达工作原理，指出雷达利用电磁波的散射与吸收、 衰减与折射和多普勒效应等基本原理，塑造了多普勒天气雷达并建立了我 国新一代多普勒雷达监测网，为在气象业务中监测和预报龙卷、冰雹大风 6 和暴洪等灾害性天气发挥了重要作用 6 。2010 年湖南长

4、沙的黄小玉、陈江 民、叶成志等对“碧利斯”引发湘东南特大暴雨的多普勒雷达回波特征进 行了分析 7 。另外，在研究天体、人造卫星以及火箭的运动时，多普勒效 应也是有效的方法之一；在道路交通上它被广泛应用于检查高速公路上行 驶车辆的速度；在医学诊断上被用于检测内脏器壁或血球的运动速度；多 普勒效应还浅析了光谱频带宽度和给出了“宇宙膨胀说”的依据等。多普 勒效应理论的重要性及应用的广泛性，由此可见一斑。本文对多普勒效应 及其表达式作了分析与研究，并对于多普勒效应在声、光、电及其卫星导 航定位系统、临床医学、海洋开发、军事领域、天气雷达等各个方面最新 的进展及应用作了详细介绍，从而让更多的人意识到研究

5、多普勒效应的价 值和其在日常生活中的应用。 2 多普勒和多普勒效应的简介 2.1 多普勒 1803 年 11 月 29 日 , 多普勒出生于奥地利的萨尔茨堡，多普勒在数学 方面显示出超常的水平 ,1825 年他以各科优异的成绩毕业 , 之后回到萨尔 茨堡教授哲学 , 后来又去维也纳大学学习高等数学、力学和天文学。 1841 年，正式担任布拉格理工学院的数学教授， 多普勒治学严谨 , 曾经被学生投 诉“考试过于严厉” 而接受学校调查 , 繁重的工作和沉重的压力使多普勒的 健康每况愈下。 1850 年, 他被委任为维也纳大学物理学院的第一任院长 , 可是 3年后多普勒便在意大利的威尼斯去世 ,年仅

6、 49岁。 多普勒的研究范围还包括光学、 电磁学和天文学 , 他设计和改良了很多 实验仪器。他才华横溢、创意无限 , 经常有各种奇思妙想 ,尽管并不是都可 精品 行, 却经常能给别人以启迪 2.2 多普勒效应 多普勒效应( Doppler Effect )是奥地利物理学家及数学家多普勒 于 1842 年在他的文章“ On the Colored Light of Double Stars ”中首 先提出来的，因波源和观测者有相对运动而出现的观测频率与波源频率不 相等的现象 , 叫做多普勒效应。多普勒效应的发现者是奥地利物理学家及数 学家克里斯蒂安多普勒( Christian Doppler ,

7、1803 1853)。该效应是 指当波源与观察者的相对位置发生变化的时候 , 观察者接收到的波的频率 会发生变化的现象。多普勒效应已被广泛地应用于科学技术的多个领域 , 如多普勒雷达、多普勒声纳、多普勒 B 超、多普勒测速仪、多普勒计程仪 等等。 3 多普勒效应的分类及表达式 我们在日常生活和科学观测中 , 经常会遇到波源和观测者相对于介质 而运动的情况。例如 , 火车汽笛的音调 , 在接近观察者时变高，而远离观 察者时变低 , 这种因波源或观察者相对于介质的运动 , 而使观察者接收到 的频率有所变化的现象，就是由奥地利物理学家多普勒( christian doppler )在 1842 年首

8、先发现的多普勒效应。 多普勒效应可以分为两大类： 第一类为机械波的多普勒效应。它包括以下几种情形 : 波源不动 , 观察者相对于介质运动；波源运动 , 观察者不动； 波源和观察者同时 运动。 第二类为电磁波的多普勒效应。 1842 年多普勒首先在声学上发现多普 勒效应后 ,1930 年开始将这一规律运用到电磁波范围， 1938 年电磁波的多 普勒效应才得到证实 面分别研究这两类多普勒效应 .1 机械波的多普勒效应 .1.1 普遍公式 我们首先对机械波在均匀各向同性媒质中传播时出现的多普勒效应表 达式进行简单推导并讨论之。 假如波源和观察者都在运动 , 且速度的方向不在同一条直线上。 设 v0和

9、 v 分别表示波源频率和观察者测量的频率 , vS 和 vB 分别是波源和观察者相 对于媒质的运动速度 , 以 u 表示波在媒质中传播的速度 , 用 1 和 2 分别表 示波源速度和观察者速度与波源和观察者连线间的夹角 ,如图 1所示。图中 任一波面上各点的相位与相邻波面上各点的相位差都是 2 , 两相邻波面之 间的距离就是波长 。如果波源静止 , 则各波面是一系列的同心圆 , 而波源 运动时, 各波面就不再是同心圆了 , 亦即由于波源的运动使得媒质中振动状 态的分布与波源静止时相比发生了变化 , 即波长发生了变化。此时观察者 观测的波长应为 0 vsT cos 1 uT vsT cos 1

10、(u vs cos 1)T(1) 如果观察者静止 ,他观测到的波速为 u, 但是观察者相对媒质以速率 vB cos 2朝波源运动 ,所以他观测到的波速应为 V u vB cos 2 。观察者观 测到的波速 V 与测到的波长 之比称为观测频率 v, 即 v V u vB cos 2 (u vS cos 1)T u vB cos 2 u vS cos 1 v0 2) 如果观察者相对媒质远离波源运动时 , 同理可推导出 精品 3） u vB cos 2 u vS cos 1 观察者感觉到的频率 , 取决于观察者所用仪器 （或人耳） 在单位时间内 接收到的完全波的数目。 1/ 为单位长度上“波的数目”

11、 , 则v 也表示单位 时间内观察者所接收到的完全波的数目。 2）、 3）两式便是机械波多普勒效应的普遍公式 1 。 图 1 .1.2 几种特例 下面讨论几种特殊情况 : （1） 如果观察者和波源在同一直线上相向或相背运动, 即 vs 0， vB 0 , 1 2 0 或 1 2, 则此时的多普勒公式为 u vB (4) v uu vvSB v0 2） 如果观察者静止而波源运动 ,即vB 0 , vs 0 , 且 1 0 时有 v u v0（5） u vS 当波源靠近观察者运动时 ,式中取负号 ,此时观测频率高于波源频率； 而波源远离观察者运动时取正号 , 此时观测频率低于波源频率。 （3） 如

12、果观察者运动而波源静止 ,即vB 0 , vS 0 , 则 v 1 vB v0（6） u 若观察者朝波源运动取正号 , 观测频率高于波源频率 ,这是由于观察者 迎着波传来的方向运动 , 使得单位时间内观察者所接受到的波数增多了； 反 之, 若观察者背离波源即顺着波传播的方向运动则取负号 , 观测频率低于波 源频率。 （4） 如果观察者和波源都相对于媒质静止 ,即vB 0 , vS 0 ；或 者观察者和波源相对于媒质以相同的速度运动 ,即它们相对静止 , 则 v v0（7） 此时不发生多普勒效应。 .2 光波（电磁波）的多普勒效应 .2.1 普遍公式 由于光波 （电磁波 ）的传播不依赖于弹性媒质

13、 , 它与机械波需要靠媒质 而传播有所不同 , 所以机械波的多普勒公式对光波 （电磁波 ） 不再适用。 但 是从理论上我们可以推证出光波（电磁波）的多普勒效应公式。这里主要 是考察光源和观察者之间的相对运动如何对接收到的光的频率产生的影 响。 若光源发出光波的频率记作 v0, 观测者测得该光的频率为 v ，通过计 精品 算可得: c 8） 其中, c为真空中的速度 , V 为光源相对于观测者的运动速度 , 为光源 相对于观测者的运动方向与光波传播方向的夹角。 8 （ 8）式便是光波（电磁波）多普勒效应的普遍公式 8 。 .2.2 几种特例 cV cV 9） 当光源和观测者沿其连线方向接近时 ,

14、即 0 时, 有 此时 , v v0 , 观测到的谱线将向短波方向移动 , 称为“蓝移” 当光源和观测者沿其连线方向远离时 , 即时,有 v v0 cV cV 10) 此时 v v0, 观测到的谱线将向长波方向移动 , 称为“红移” 当观测者在垂直于光源方向上运动 , 即时, 有 2 v v0 1 (Vc)2(11) 8 此时产生横向多普勒效应 8 . 当V c 时, v v0(1 V cos )(12) c .2.3 相对论力学中的多普勒公式 一般的教材 9 ， 10中都只讨论其经典力学情况 , 美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼 (R. P. Feynman) 曾用洛伦兹变换讨论了相对论

15、力学的 情况, 得出了重要的相对论多普勒公式。 设惯性系 S相对于惯性系 S以速度 u沿x轴方向运动 ,为简单起见仅 考虑一个辐射原子的情形。 设该原子在 S系里发射光子之前是静止的 , 该原 子在发生量子跃迁前后的静止质量分别为 m0 和 m, 当该原子发射光子时 , 它必须反冲以保持动量守恒 , 射出的量子 hv0 的动量为 hv0 c 。根据能量守 恒定律有 22 m0c mc T E0 式中T 是发射之后原子的动能 , E0 是射出的光子的能量。若令转变能 Et 为 Et (m0 m)c2(14) 则式 (13) 变为 Et T E0 。 显然,在S 系里,该原子在发射前后分别具有速度

16、 u和u 。能量守恒定 律和动量守恒定律可表示为 15) 16) m0c2 mc2 E m0u mu cos (E/ c)cos 0 mu sin(E / c)sin 17) u1/ 2u1/ 2uu 式中 1 (u)2, 1 (u )2 , 而 是 u 和 u 之间的夹角 , 是 u cccc 和 u 射出的光子的动量之间的夹角；而 E是光子相对于 S 系的能量。 式(14) (17) 得: 精品 E (1 ucos ) Et c Et2 2m0c2 18) 对于 u 0 情形, 有 E0 Et 2mEt02c2 19) 因而, 射出的光子相对于 S 系具有能量 E0 Et 2mEt0c2

17、将式(19) 再代回式(18) 得: 2 1/2 E0 1 uc 2 1/2 E 0 c u 1 cos c 20) 此式给出了同一个光子分别在两个惯性系 S 和 S 中的能量 和 E0 之间的 联系。 对于 S系, 光子的能量 E0和其频率 v0的关系为 E0 hv0 21) 对于 S 系,光子的能量 E 和其频率 v的关系为 E hv 22) 将式(21) 和式(22) 代入式(20) 得 2 1/2 v v0 1 uc 2 1/2 23) v 1 u cos c 此即著名的相对论多普勒公式 , 它与光波(电磁波)多普勒效应的普遍公式是相同的。该式实质上给出了一个光子在两个惯性系里能量之间

18、的联 系。 若射出的光子的动量方向与 u 一致, 即 0, 则 c 1 24) 这便是通常所用的相对论多普勒公式 。 4 多普勒效应的应用 多普勒效应在许多领域都有着广泛的应用。比如，在研究天体、人造 卫星以及火箭的运动时，多普勒效应是有效的方法之一；在道路交通上它 被广泛应用于检查高速公路上行驶车辆的速度；在医学诊断上被用于检测 内脏器壁或血球的运动速度。 除此之外，多普勒卫星导航定位系统 , 在军用 和民用过程中取得了极大成功；超声波的多普勒效应利用记录声波散射强 度,可以判断海洋污染程度 , 分析废物污染速度，还能测绘海底地貌；多普 勒天气雷达能够对灾害性天气进行监测和预警等。下面分别论

19、述。 4.1 声波的多普勒效应及应用 当一列鸣笛的火车经过某观察者时 , 他会发现火车汽笛的声调由高变 低。这是因为声调的高低是由观察者耳膜振动频率的不同决定的 , 如果频率 高,听起来声调就高 ,反之听起来声调就低 , 这就是声波的多普勒效应。 当火 车以恒定速度驶近观察者时 , 汽笛发出的声波在空气中的传播结果是波长 缩短。因此 ,在一定时间间隔内进入人耳的声波频率就增加了 , 这就是观察 者感受到声调变高的原因；相反 ,当火车驶向远方时 , 声波的波长变大、频 10 精品 率变低, 因此听起来就显得低沉。 近年来, 一种超声脉冲多普勒血流测量技术在临床医学上开始广泛应 用。当声源或反射界

20、面移动时 , 所发射和散射的超声波频率会发生变化。 比 如, 当红细胞流经心脏大血管时 , 从其表面散射的超声波频率发生改变 , 这 种频率偏移可以指示血流的方向和速度。 如红细胞朝向探头时 , 根据多普勒 原理, 反射的声频提高 , 如红细胞离开探头时 , 反射的声频则减小。将超声脉 冲多普勒技术用于心脏研究 , 可以估计血流的血液动力学特征 , 如血流方向 和血流性质等。声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平 常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白超再加上彩色多普勒， 首先说说超声频移诊断法，即超，此法应用多普勒效应原理，当声源与 接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，

21、回声的频率有所改变，此 种频率的变化称之为频移，超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普 勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理， 把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即 形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既 具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实 际应用受到了广泛的重视和欢迎， 在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。 另外， 交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频 率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速 仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把

22、车辆牌号拍摄下来，并 把测得的速度自动打印在照片上。 4.2 电磁波的多普勒效应及应用 1957 年,原苏联发射了人类历史上的第一颗人造地球卫星, 美国科学 家在对其跟踪研究中发现 , 当卫星飞向他们的无线电接收机时 , 收到的电波 信号频率增大；卫星离去时 , 收到的电波信号频率减小 , 这就是电磁波的多 普勒效应。根据电磁波的多普勒效应 , 在卫星通过无线电接收机上空期间 利用测定的各个电波信号的频率变化量 , 就可以确定卫星的整个轨道。 后来, 另一位科学家逆向思维 ,提出了一个相反的想法 : 如果事先知道卫星的精确 轨道,根据电磁波的多普勒效应 , 就可以确定无线电接收机的位置。这个设

23、 想很快被美国有关部门采用 , 天上的“交通警察” 多普勒卫星导航定位 系统应运而生。 多普勒卫星导航定位系统 11 , 在军用和民用过程中取得了极大成功 , 是导航定位史上的一次飞跃。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频 率低,轨道精度难以提高 ,使其定位精度较低 ,难以满足精确测量的需要。 为 了提高精度 , 美国从 1973 年开始筹建全球定位系统 (GPRS) 。在经过方案 论证、系统试验阶段后 ,于1989 年开始发射正式工作卫星 ,并于1994 年全 部建成、投入使用。GPS 系统包括 24 颗人造卫星 , 每 12 小时绕地球 1 圈, 每个卫星都能发出包含其位置、时间数据编码

24、的信号 ,精确度可达 9 - 10 秒,这些卫星按照一定方式排列 , 使地球上任何一点都至少能同时接收到 4 颗卫星发出的信号 , 无论地球的任何地方、任何时候、任何天气条件 , 地面 接收者都可以通过解读这些信号准确定出自己所处的位置。多普勒气象雷 达是目前世界上最先进的气象雷达 , 广泛用于气象、 民航等部门。它根据其 发射的电磁波与云雨区回波信号的强弱测定降水强度, 利用返回信号因多 普勒效应产生的频率变化 , 测定云雨中降水微粒的移动速度。 由于雷达天线 可在不同的角度上作水平旋转 , 因此可测定三维立体空间中云雨区分布和 云雨区中降水微粒的相对移动 ,这对研究降水的形成 , 分析中、

25、小尺度天气 系统, 预报强对流天气具有重要意义。我国从 1998 年开始在江西南昌、赣 州、吉安，广东番禺、 湖北宜昌等地建成多普勒气象雷达站 , 大大提高了短 时天气预报 , 特别是突发性、灾害性、强对流天气预报的准确率 ,增强了我 国气象灾害监测、预警能力。 现在 , 交通警察常用测速雷达测量汽车的速度 , 判断汽车是否超速 , 其原理就是利用红外线的多普勒效应。 精品 4.3 光的多普勒效应及应用 具有波动性的光也会出现这种效应， 它又被称为多普勒 -斐索效应 . 因 为法国物理学家斐索（ 18191896 年）于 1848 年独立地对来自恒星的波 长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量

26、恒星相对速度的办法 . 光波与声 波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化 . 如果恒星 远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向 我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。 1917 年,爱因斯坦建立了广义相对论 , 开创了现代宇宙学的理论研究。 爱因斯坦放弃了无限空间的概念 , 认为宇宙的体积是有限的 , 但是没有边 界。对于宇宙而言,单个恒星作微小的运动 ,可以忽略不计 ,进而可以把宇宙 近似地看成静止不动的。 1929 年, 哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后 发现, 除了与银河系较近的三个星系表现为向银河靠近的蓝移外 ,其他所有 星系光谱都表

27、现出红移 , 而且红移量大致同星系的距离成正比。 所有恒星的质量差别不大 ,均为太阳质量的 0.07 至 120 倍,因而红移 都相当小。星系是由恒星组成的 , 故其光谱红移不可能是恒星的引力场产生 的, 只能由光波多普勒效应产生。 由于我们在宇宙中并不处于特殊的中心位 置,因而宇宙中所有星系都在彼此远离 , 即宇宙处于普遍的膨胀之中。如果 星系目前正在彼此远离 , 那么它们过去必定靠得更近。 继续这一推理就意味 着过去必定存在一个有限的时刻 , 那一时刻就是宇宙的开端 , 也就是通常被 称为大爆炸 , 由此得到宇宙大爆炸模型 12 。该模型认为 : 宇宙发端于距今 100 多亿年前的大爆炸

28、, 随后以指数方式膨胀着 , 内部发生真空相变 , 产生 基本粒子 ,形成星系。 星系本身内部分裂成千千万万颗恒星。 恒星周围的尘 粒通过相互吸引碰撞粘合 , 最后形成从小行星到大行星的形形色色的天体。 4.4 超声波的多普勒效应及应用 4.4.1 超声波无损检测 超声波在材料中的穿透力和传播方向性非常好。超声波探伤是通过型 号往返于缺陷的传播时间来确定缺陷与表面的距离 , 通过回波信号的幅度 和发射换能器的位置来确定大小和方向。 A 扫描法是脉冲反射法 ,B 扫描法 可显示工件内部缺陷的纵截面徒刑 ,C 扫描法可显示工件内部缺陷的横截 面图形。就它的物理性而言 ,用超声波法可以无损检测厚度

29、, 材料硬度 , 硬磁 深度, 晶粒度,液体流量残余应力和胶结强度。 4.4.2 医学诊断 超声诊断 13 的物理基础 ,主要是利用超声波在界面的反射 , 由于人体 内部位置与器官的声阻抗不同 , 超声波进出器官时在界面上形成不同频率 的反射波。当器官发生病变或异物时由于形状位置和声阻抗的变化 , 界面上 的反射波的强度和位置也发生了改变 , 临床就是利用这一特点来进行诊断 的。超声全息照相为医学提供了不同于 X 射线和同位素扫描的一种全新诊 断技术 ,X 射线和同位素诊断对于人体会产生一定的危害 , 但超声全息技术 通常使用的最高功率范围仅为每平方厘米几百毫瓦 , 实验证明这样低的超 声功率

30、对人体组织不会有损害。利用 X 射线对于骨骼、胃肠、肾和血管等 进行诊断时 , 病人要服造影剂或其他措施 ,以获得有对比度的照片。在同位 素诊断中 , 病人要口服或注射同位素 , 这些都会给病人带来不舒适的感觉。 在美国,L. weiss 等人应用液面超声波全息照相装置对老鼠腹部肿瘤进行 了观测, （肿瘤是人工移植的 ） 51 个肿瘤中可看到 49 个, 确诊率达到 96 %, 确诊肿瘤中用 X 射线仅能看到一半。超声波诊断简易、迅速，且对患者无 伤害、无痛苦 , 特别是对人体软组织的诊断最为有效。 4.4.3 海洋开发 检测海洋污染 , 利用记录声波散射强度 , 可以判断海洋污染程度 , 分

31、 14 精品 析废物污染速度等； 测绘海底地貌 , 特别是现今随着光纤技术的飞速发 展铺设海底光缆对海地地貌勘测已成为一项十分迫切的前期工作； 海洋 声学遥感 ,非声学海洋遥感。例如微波 , 红外及卫星遥感等共同缺点是穿透 海洋内部 , 但超声波可达到海底深处 , 从而测得整个海洋空间和海地参数。 4.4.4 军事应用 1950 年人们研制出第一代多普勒雷达 , 这对飞行器自备式导航开辟了 广阔前景。现如今多普勒雷达已成为了各类飞行器自备式导航的必须设备 , 并且在未来反侵略战争和空间开发技术中 , 发挥更大的作用 , 给出更准确更 可靠的导航信息。声纳是利用声波进行导航预测距的意思，多普勒声

32、纳 14 是根据多普勒效应研制的一种利用水下波来测速和计程的精密仪器。用声 纳可以水下侦察 , 从发射机电信号转换成声波信号又遇到潜水艇、 水雷、鱼 群等反射回来就能确定目标的位置。 二战中损失了 1000 多艘潜艇 , 其中大 部分都是被声纳发现的 ,因此把声纳装在潜艇上 , 搜索潜艇、探雷担当警戒 充当耳目。 4.5 多普勒天气雷达的应用 4.5.1 对灾害性天气的监测和预警 多普勒雷达 6 观测的实时回波强度（发射率因子 Z）、径向速度（ V）、 速度谱宽（ W）的图像中，提供了丰富的有关强对流天气的信息，综合使用 Z、V、W图像，可以较准确和及时监测灾害性天气。回波强度一直是判断 强对

33、流天气的重要参数，多普勒雷达中径向速度分布图也是判断强对流的 一种有效工具，因为，强对流天气的出现和发展往往与气流的辐合、辐散 以及旋转有关，在识别风灾害时特别有效。 4.5.2 龙卷 灾害性天气，最强龙卷的风速介于 110200m/s 之间。当有龙卷出现 时，总有一条直径从几十米到几百米的漏斗状云柱从对流云云底盘旋而下， 有的能伸达地面，在地面引起灾害性的风称为陆龙卷；有的伸达水面称为 水龙卷。在多普勒雷达回波识别中，龙卷主要由二类回波单体产生：一是 超级单体回波；二是多单体回波。 4.5.3 定量估测大范围降水 多普勒雷达参数在建站时经过仔细的校准和标定，在日常运行中还会 自动定时对雷达参

34、数校准和检测，以保证雷达回波强度的准确性。根据雷 达回波强度与降水量 Z- R 关系，对降水强度随时间进行累积转换成降量， 提供 1 小时、 3 小时累积雨量分布，从而做到定量估测大范围降水。 4.6 雷达微多普勒特征提取和目标识别 目标识别是军事雷达应用的一个重要部分。对空中、陆地以及海域中 敌意目标识别的局限已经一度被 NATO北（ 约 ） 认为是整个防御体系中最薄 弱的环节 15 。在最大警戒范围和武器系统的射程以内快速而准确地进行目 标识别仍然是目前很具挑战性的问题。近年来 , 将微多普勒技术与雷达目 标识别结合 , 发展了基于微多普勒分析的目标识别技术。下面将介绍微动 在目标识别领域

35、取得的主要技术进展和成果 , 分析其应用前景和发展趋势。 4.6.1 目标与识别 国家的空间力量和空间战略最重要的环节就是空间目标探测和识别技 术。微多普勒特征提取的分辨力可以达到 0. 3 Hz, 因此对于 3 cm 工作波 长的雷达 , 其径向速度分辨力能够达到 5 mm /s 量级 , 这对稀薄大气层内 各类飞行器的检测分辨、跟踪与识别是极为有用的特征。美国海军导弹防 御委员会于 2001 年对海基雷达用于弹道导弹防御做了论证 。文中指出 , 16 对于导弹防御雷达系统来说 , 微动特征 是指威胁目标自旋频率和其他 非常规运动所蕴含的独一无二的特征 , 这些特征使雷达能够将弹头从诱饵 精

36、品 和碎片中识别出来。美国正在研制的 THAAD GBR X2波段雷达能够精确测 量威胁目标的微动特征。弹道导弹目标的雷达微动特征提取为 TBMD 目标 识别提供了一种很具潜力的手段。 4.6.2 汽车引擎微多普勒研究现状 抖动是汽车引擎内部燃料不完全燃烧导致的非正常工作状态，频繁而 剧烈的抖动有可能对引擎造成损伤，由引擎抖动引起的汽车共振可以被用 来进行抖动检测和引擎诊断。国外有很多关于引擎抖动检测的研究发表文 献 17,18 建立了一个由引擎抖动产生的随机性振动信号模型 , 该模型由 N 个幅度和相位随机的共振信号叠加而成。共振频率和包络函数由曲柄角决 定基于这个模型 , 引擎一个燃烧周期

37、的信号模型 , 时频分布，利用雷达照射 汽车表面所得到的回波可以检测到这种振动信号。 4.7 相参雷达与非相参雷达 在雷达的应用中 , 非相参雷达在早期运用于发现目标和测定目标的空 间位置 , 但对于哨所类雷达 , 这样的功能远远不够。相参雷达的应用可以 很好地解决这类问题 , 其与非相参雷达的最主要区别就在于多普勒效应。 相参性雷达指雷达系统的发射信号、本振电压、相参振荡电压和定时 器的触发脉冲均由同一基准信号提供 , 这些信号之间均保持确定的相位关 系 （即相位相参） , 这种雷达系统称全相参系统。全相参是实现频率捷变 技术 用于抗瞄准式干扰和线性调频技术 （脉冲压缩） 的基础 , 能产生

38、复杂 的波形。应用比较广泛的脉冲多普勒雷达就是全相参雷达。非相参性雷达 指发射信号与本振信号的相位不具有一致性 , 或者说不具有关联性。接收 机混频信号与发射信号由各自单独产生。 相参雷达具有多普勒特性 , 所以也称多普勒雷达 , 其主要优势就是能 探测运动目标的运动速度。目标回波的多普勒频移与其径向速度 v 成正 比 , 因此只要准确地测出其多普勒频移的数值和正负 , 就可以确定目标运 动的径向速度和方向。在非相参性雷达中 , 因无法判断是固定目标 , 还是 运动目标 , 所以就无法滤除固定地物杂波和海杂波 从而只能显示出全部 采集信息 , 或者通过门限滤波对低发射率因子滤除 保留高发射率因

39、子 这样大大降低了数据分析的完整性和可信度。 从以上非相参信号与相参信号的比较可以看出 非相参只能利用目标 回波的幅度来直接检测目标和测量目标的方位 , 这大大限制了雷达性能的 提高。而相参雷达具有较高的距离和速度分辨力 , 但当距离和速度分布范 围超出清晰区时 , 存在距离和速度模糊。 解决这类问题主要是靠加大或减小 脉冲重复周期 , 或者通过重复周在实际应用中 , 非相参雷达与相参雷达应 用领域有所不同 , 如果只针对测试气象云层强弱方面 , 而无其他特殊要求 时（机场云雾检测、人工降雨等） ,非相参雷达已足够应付 ; 如果需要对动 目标进行分析时（侦察探测跟踪等） , 还是以相参雷达为主

40、。 5 结束语 多普勒效应是一种重要的物理现象 , 它在许多领域都有着广泛的应 用。本文介绍了多普勒效应，并给出了不同波的多普勒效应表达式。除此 之外，对于多普勒效应在声、光、电及其卫星导航定位系统、临床医学、 海洋开发、军事领域、天气雷达等方面的应用作了分析与研究，让人们体 会到多普勒效应理论的重要性及其潜在的应用价值。未来，多普勒效应将 有更广泛的应用，它会给人类的进步和发展带来促进和推动作用。 致谢 本论文是在苏晓琴老师的悉心指导下完成的，从论文的选题和相关文 献资料的查找，直到论文撰写的整个过程，苏老师以其广博的知识、丰富 的经验和清晰的思路，自始至终给我以耐心地指导，使我能够顺利地完成 18 精品 论文写作，她严谨的治学态度和精益求精的工作方式给我留下深刻的印象， 令我受益匪浅。故借此论文完成之际，对苏老师表示深深地感谢。 与此同时，在这里我还要感谢学校对我的栽培，以及所有老师对我的 谆谆教诲，使我在大学期间能够掌握充足和扎实的专