多普勒效應(yīng)的研究與應(yīng)用(畢業(yè)論文doc)

1、精品 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,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年河南大學(xué)物理系尹國盛以光子假設(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)中的多普勒公式

2、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月湖北工學(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月湖北工學(xué)院數(shù)理系的徐國旺和別業(yè)廣在引入速度矢量的基礎(chǔ)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)行了初步探討3。除此之外 ,他們還用Mathematica 對一實(shí)例進(jìn)行了動畫演示。2004年陜西科技大學(xué)理學(xué)院的劉運(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)不但是一個運(yùn)動學(xué)問題 ,而且也是一個動力

3、學(xué)問題4。2007年5月重慶交通學(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 ,得到了完全相同的多普勒頻移公式5。在接下來的一年中江西省氣象科學(xué)研究所的馬中元回顧了雷達(dá)氣象學(xué)的發(fā)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)等基本原理，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年湖南長沙的黃小玉、陳江民、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)行了分析7。另外，在研究天體、人造衛(wèi)星以及火箭的運(yùn)動時，多普勒

4、效應(yīng)也是有效的方法之一；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)診斷上被用于檢測內(nèi)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

5、的水平,1825 年他以各科優(yōu)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”而接受學(xué)校調(diào)查,繁重的工作和沉重的壓力使多普勒的健康每況愈下。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。多普勒的研究范圍還包括光學(xué)、電磁學(xué)和天文學(xué),他設(shè)計和改良了很多實(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

6、奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家多普勒于 1842 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、多普勒計程儀等等。3多普勒效應(yīng)的分類及表達(dá)式我們在日常

7、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)動的情況。例如 ,火車汽笛的音調(diào) ,在接近觀察者時變高，而遠(yuǎn)離觀察者時變低,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 年開始將這一規(guī)律運(yùn)用到電磁波范圍，1938 年電磁

8、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)中傳播時出現(xiàn)的多普勒效應(yīng)表達(dá)式進(jìn)行簡單推導(dǎo)并討論之。假如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,各波面就不再是同心圓了,亦即由于波源的

9、運(yùn)動使得媒質(zhì)中振動狀態(tài)的分布與波源靜止時相比發(fā)生了變化, 即波長發(fā)生了變化。此時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,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) 在單位時間內(nèi)接收到的完全波的數(shù)目。為單位長度上“波的數(shù)目”,則也表示單位時間內(nèi)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

10、源在同一直線上相向或相背運(yùn)動,即， , 或,則此時的多普勒公式為 (4)（2) 如果觀察者靜止而波源運(yùn)動,即 , , 且 時有 (5)當(dāng)波源靠近觀察者運(yùn)動時,式中取負(fù)號,此時觀測頻率高于波源頻率；而波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動時取正號,此時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)若觀察者朝波源運(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,使得單位時間內(nèi)觀察者所接受到的波數(shù)增多了；反之,若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)以相同的速度運(yùn)

11、動,即它們相對靜止,則 (7)此時不發(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。若光源發(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

12、 幾種特例當(dāng)光源和觀測者沿其連線方向接近時,即 時,有 （9）此時, , 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,即時,有 （10）此時,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,有 （11）此時產(chǎn)生橫向多普勒效應(yīng)8.當(dāng) 時, （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輻射原子

13、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,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)射之后原子的動能, 是射出的光子的能量。若令轉(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 （15） （16） （17）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: （2

14、0）此式給出了同一個光子分別在兩個慣性系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）多普勒效應(yīng)的普遍公式是相同的。該式實(shí)質(zhì)上給出了一個光子在兩個慣性系里能量之間的聯(lián)系。若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。比如，在研究天體、人造衛(wèi)星以及火箭的運(yùn)動時，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

15、駛車輛的速度；在醫(yī)學(xué)診斷上被用于檢測內(nèi)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)行監(jiān)測和預(yù)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)過某觀察者時,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)的高低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,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,在一定時間

16、間隔內(nèi)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,聲波的波長變大、頻率變低,因此聽起來就顯得低沉。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)上開始廣泛應(yīng)用。當(dāng)聲源或反射界面移動時,所發(fā)射和散射的超聲波頻率會發(fā)生變化。比如,當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時,從其表面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,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,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

17、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，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是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號處理，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）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時提供了血流動力學(xué)的豐富信息，實(shí) 際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，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

18、發(fā)射頻率已知的超聲波同時測量反射波的頻率，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)視器有時就裝在路的上方，在測速的同時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,原蘇聯(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,收到的電波信號頻率增大；衛(wèi)星離去時,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,利用測定的各個電波信號的頻率變化量,就可以確定衛(wèi)星的整個軌道。后來,另一位科學(xué)家逆向思維,提出了一個相反的想

19、法:如果事先知道衛(wèi)星的精確軌道,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、信號載波頻率低,軌道精度難以提高,使其定位精度較低,難以滿足精確測量的需要。為了提高精度,美國從1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng)(GPRS) 。在經(jīng)過方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后,于1989 年開始發(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 小時繞地球1 圈,每個衛(wèi)星

20、都能發(fā)出包含其位置、時間數(shù)據(jù)編碼的信號,精確度可達(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)報強(qiáng)對

21、流天氣具有重要意義。我國從1998 年開始在江西南昌、贛州、吉安，廣東番禺、湖北宜昌等地建成多普勒氣象雷達(dá)站,大大提高了短時天氣預(yù)報,特別是突發(fā)性、災(zāi)害性、強(qiáng)對流天氣預(yù)報的準(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辦法.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.

22、 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,單個恒星作微小的運(yùn)動,可以忽略不計,進(jìn)而可以把宇宙近似地看成靜止不動的。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)量差別不大,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

23、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,那么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有限的時刻,那一時刻就是宇宙的開端,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,內(nèi)部發(fā)生真空相變,產(chǎn)生基本粒子,形成星系。星系本身內(nèi)部分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

24、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間來確定缺陷與表面的距離,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 掃描法可顯示工件內(nèi)部缺陷的縱截面徒刑,C 掃描法可顯示工件內(nèi)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檢測厚度,材料硬度,硬磁深度,晶粒度,液體流量殘余應(yīng)力和膠結(jié)強(qiáng)度。4.4.2 醫(yī)學(xué)診斷超聲診斷13的物理基礎(chǔ),主要是利用超聲波在界面的反射,由于人體內(nèi)部位置與器官的聲阻抗不同,超聲波進(jìn)出器官時在界面上形成不同頻率的反射波。當(dāng)器官發(fā)生病變或異物時由于形狀位置和

25、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)行診斷的。超聲全息照相為醫(yī)學(xué)提供了不同于X射線和同位素掃描的一種全新診斷技術(shù),X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范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X 射線對于骨骼、胃腸、腎和血管等進(jìn)行診斷時,病人要服造影劑或其他措施,以獲得有對比度的照片。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)行了觀測, (腫瘤是人工移植的) 51 個腫瘤中可

26、看到49 個,確診率達(dá)到96 % ,確診腫瘤中用X 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)的飛速發(fā)展鋪設(shè)海底光纜對海地地貌勘測已成為一項十分迫切的前期工作； 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)是穿透海洋內(nèi)部,但超聲波可達(dá)到海底深處,從而測得整個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)

27、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)行導(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程的精密儀器。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1000 多艘潛艇,其中大部分都是被聲納發(fā)現(xiàn)的,因此把聲納裝在潛艇上,搜索潛艇、探雷擔(dān)當(dāng)警戒充當(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，

28、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)和發(fā)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，總有一條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

29、測大范圍降水多普勒雷達(dá)參數(shù)在建站時經(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)度隨時間進(jìn)行累積轉(zhuǎn)換成降量，提供1 小時、3 小時累積雨量分布，從而做到定量估測大范圍降水。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)用的一個重要部分。對空中、陸地以及海域中敵意目標(biāo)識別的局限已經(jīng)一度被NATO(北約) 認(rèn)為是整個防御體系中最薄弱的環(huán)節(jié)15。在最大警戒范圍和武器系統(tǒng)的射程以內(nèi)快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行目標(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 ,發(fā)展了基于微多普

30、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)用前景和發(fā)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達(dá)到 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達(dá)到 5 mm /s量級 ,這對稀薄大氣層內(nèi)各類飛行器的檢測分辨、跟蹤與識別是極為有用的特征。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

31、誘餌和碎片中識別出來。美國正在研制的 THAAD GBR X2波段雷達(dá)能夠精確測量威脅目標(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)狀抖動是汽車引擎內(nèi)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)行抖動檢測和引擎診斷。國外有很多關(guān)于引擎抖動檢測的研究發(fā)表文獻(xiàn)17,18建立了一個由引擎抖動產(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模型 ,引擎一個燃燒周期的信號模型,時頻分布，利用

32、雷達(dá)照射汽車表面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器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號提供 ,這些信號之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）的基礎(chǔ) ,能產(chǎn)生復(fù)雜的波形。應(yīng)用比較廣泛的脈沖多普勒雷達(dá)就是全相參雷達(dá)。非相參性雷

33、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 ,保留高發(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較可以看出 ,非相參只

34、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)距離和速度分布范圍超出清晰區(qū)時,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（機(jī)場云霧檢測、人工降雨等）,非相參雷達(dá)已足夠應(yīng)付;如果需要對動目標(biāo)進(jìn)行分析時（偵察探測跟蹤等）,還是以相參雷達(dá)為主。5 結(jié)束語多普勒效應(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

35、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)步和發(fā)展帶來促進(jìn)和推動作用。致謝本論文是在蘇曉琴老師的悉心指導(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過程，蘇老師以其廣博的知識、豐富的經(jīng)驗(yàn)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，對蘇老師表示深深地感謝。與此同時，在這里我還要感謝學(xué)校對我的栽培，以及所有老師對我的諄諄教誨，使我在大學(xué)期間能夠掌握充足和扎實(shí)的專業(yè)知識去完成本論文的寫作。并且還要深深感謝在此論文寫作的整個過程中給予我及時幫助的同學(xué)們。