波式传感器-多普勒传感器-多普勒效应及应用

6.3多普勒效应及应用1.多普勒效应2.多普勒效应的应用课程内容1.多普勒效应2.多普勒效应的应用课程内容多普勒效应（Dopplereffect）“多普勒效应”是由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒于1842首先发现并加以研究而得名的，其内容为：由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率不同，这种现象称为多普勒效应，也称多普勒频移。关于多普勒效应理论有两种：声波的多普勒效应光波（包括电磁波）的多普勒效应

1.多普勒效应（1）声波的多普勒效应在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车或鸣着喇叭的救护车朝我们开来的时候，我们会感到声音比较尖，一旦从我们身边离去时，声音就会变粗。事实上，当声源接近观察者时，声波会被“压缩”，声波的频率提高；而在远离观察者时，声音听起来就显得低沉。当然，当观察者接近或远离固定声源时也会产生多普勒效应。但我们接近或远离声源的速度如果比较小，耳朵就无法区分这些细微的差别。多普勒效应示意图1.多普勒效应（2）光波（包括电磁波）的多普勒效应多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。它又被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索（1819-1896）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。多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，只要分析一下接收到的光的频谱就行了。1.多普勒效应1.多普勒效应2.多普勒效应的应用课程内容多普勒效应的应用根据多普勒效应的原理可测量运动物体的速度，如车速、船速、卫星速度和流体的流速等。也可根据光学多普勒频移测定天体相对地球的运动。光源中发光原子的无规则热运动引起谱线增宽，称多普线增宽，根据频移公式可计算多普勒增宽与光源温度的关系。2.多普勒效应的应用（1）多普勒雷达测速检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。如下图所示，雷达向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波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警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。多普勒雷达测速原理2.多普勒效应的应用（2）多普勒效应在医学上的应用在临床上，多普勒效应的应用也不断增多，近年来迅速发展起超声脉冲Doppler检查仪，当声源或反射界面移动时，比如当红细胞流经心脏大血管时，从其表面散射的声音频率发生改变，由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度，如红细胞朝向探头时，根据Doppler原理，反射的声频则提高，如红细胞离开探头时，反射的声频则降低。反射波频率增加或减少的量，是与血液流动速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。2.多普勒效应的应用多普勒彩超多普勒彩超声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先说说超声频移诊断法，即D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，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移，D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”。2.多普勒效应的应用（3）宇宙学研究中的多普勒现象20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度与距地球的距离r成正比，即,H为哈勃常数。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小。由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物。因而1948年伽莫夫（G.Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”。多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。1868年，英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了46km/s的速度值。2.多普勒效应的应用（4）移动通信中的多普勒效应在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。因而也加大了移动通信的复杂性。2.多普勒效应的应用（5）多普勒天气雷达多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效应为基础，具体表现为：当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。运用这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布等。这对研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气等具有重要意义。2.多普勒效应的应用（5）多普勒天气雷达如右图所示，天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。多普勒天气雷达工作原理2.多普勒效应的应用（6）测量流体速率使用效应可测量流体速率。当声波在声束方向被具有流速的目标反射时，目标流向声源时反射波的频率较高，而目标离开声源时反射波的频率较低。频率的变化与入射声束的频率及目标的速度成比例