多普勒频移

多普勒频移

当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。

多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。

英文名称:Doppler Shift ，多普勒效应是为纪念克里斯琴·多普勒·约翰(Doppler, Christian Johann)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。

定义

主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。

概述

多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度

当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩，频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长，频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。

这种现象也存在于其他类型的波中，例如光波和电磁波。科学家们观察发现，从外太空而来的光波，其频率在不断变低，既向频率较低的红色波段靠拢，这是光波遵从多普勒效应从而引起多普勒频移的例证。对于电磁波，高度运动的物体上(例如高铁)进行无线通信，会出现信号质量下降等现象，就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。

多普勒频移导致无线通信中发射和接收的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法正确接收，甚至无法接收到。

发生原因

把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你每走一步时，面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步，而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。

所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(doppler shift)即

Δf=f'-f

当接收体与声源相互靠近时，接收频率f'大于发射频率f即:Δf>0

当接收体与声源相互远离时，接收频率f'小于发射频率即: Δf<0

可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v，声速为c，则接收体接收声波的多普勒频率为:

f'= f·(c+-v1)/(c-+v2)

括号中分子和分母的加、减运算分别为"接近"和"远离"之意。

例如在一个运动速度为100 km/h的列车上，使用GSM 900 MHz的手机进行通话，假设发射频率为900 MHz，则最大的多普勒频移为fm=100000/3600/300*900*1=83 Hz，此时列车移动的方向与无线电波发射的方向一致。如果列车运动的方向与发射方向成90°角，则无多普勒频移，夹角在两者之间时，为0~83 Hz的范围值。如列车移动方向与无线电波发射的方向相反或呈90°~180°角，则频移为负值，范围为-83 Hz~0。无线通话中频率误差的标准一般为0.05 ppm，即百万分之0.05，则900 MHz允许的频率误差为900*0.05=45 Hz。

从而可以看出，列车运动时通话的接收频率的误差经常会超过频率误差，多普勒频移已经影响到了通话质量。因此消除或降低多普勒频移对无线通信的影响，是高速运动中进行无线通信必须解决的问题。解决这个问题通常采用的方法是:估算多普勒频移，并对估算的频率偏差进行补偿。尤其是多普勒效应影响非常大的水中无线通信，业界和学术界已经有很多研究成果，采用的方法大多都是通过某些算法进行多普勒频移的消除或补偿。

由此可知，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向以及无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向移动，则多普勒频移为正，导致接收频率上升。若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，接收频率下降。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。

应用实例

多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家Edwin Hubble 使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变低，即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移，或称红移。若银河系正移向蓝端，光线就成为蓝移。

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"。另外一方面，由于非静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时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。也加大了卫星移动通信的复杂性。

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"。

B超原理和多普勒效应.

超声诊断仪类型 医用超声诊断仪是将声纳原理、雷达技术、电子技术三者相结合而研制生产的设备，主要应用在临床诊断中，其基本原理是将一束高频超声脉冲发射到生物体内，再接收来自生物体内各组织之间界面处反射的回波，经放大、处理、显示，可观察内脏器官的形状、大小、及各器官的相互位置、器官的活动以及器官内的异物等，从而判断器官的是否正常。随着科学技术的发展，越来越多的高新技术应用于这种设备的研究制造中，因此，超声诊断仪的发展也由起初的一维超声扫描及其显示方式发展为二维甚至三维的超声扫描和显示方式，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰、易辨，在临床上被越来越广泛地应用在各科门诊的诊断检查方法中，成为与X-CT、同位素扫描、核磁共振并列的四大医学成像技术之一。其中超声成象因为具有以下三个特点：①超声波为非电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性地反复使用；②超声波对软组织的鉴别力较高，在对软组织疾患诊断时具有优势；③超声成象仪器使用方便、价格便宜，使得医学超声成象具有强大的生命力和发展前途，是其他成 象技术所无法替代的现代技术。 超声波在医学方面，除了用于治疗和手术外，主要是用于临床诊断。在诊断学方面，现有的医学超声技术可以分为两大类：即基于回波扫描技术和基于多谱勒频移原理的超声诊断技术。基于回波技术的超声诊断技术的基本原理是利用超声波在组织界面处产生的反射回波形成的图象或信号来诊断疾病。这种技术主要用于解剖学范畴的检测和诊断，目的是了解器官的形态学和组织方面的状况与变化，比如检测体内异物和肿瘤，检查器官的形状及大小变化等等。回波扫描诊断技术一般按显示回波的方式分为如下五类型：①A型：即将回波以波形的形式显示出来，其纵坐标为回波幅度，用以表示回波的强弱；横坐标为回波接收的时间，该时间与产生回波的组织界面相关。②B型：即将回波信号用点的形式显示在显示器上，光点的灰度与回波强弱成正比，为辉度调制型。当探头上的传感器阵元以不同方式移动扫查时，可以形成二维图象。③C型：此为透射式扫查方式，可获得有关被测组织的声速和衰减等信息。④M型：此法是在辉度调制型中加入一个慢扫查锯齿波，从而使回波点从左到右自动扫描。显示的横坐标为慢扫描时间，纵坐标为声波传播时间（即对应于检测深度位置）⑤F型：此法为用多个切面图象构造一个曲面的成象形式。除了单一形式外，还有复合型诊断仪，即综合采用上述几种方式成象，目前，回波扫描技术已大量用于对肝、脾、胃、肾、胆、甲状腺、乳腺、眼球、子宫、卵巢、胸腔、肺、半月板、脑、心包等多种脏器官的诊查之中。 基于多普勒频移原理的超声诊断技术的基本原理是：利用运动物体反射声波时造成的频率偏移现象来获取人体的运动信息。这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液动力学方面的生理病理状况，如用于测定血液流速、心脏运动状况及血管是否存在栓塞等。目前，超声多普勒技术主要用于心血管疾病的诊断中。 在诊断学方面，基于探测深度和分辨率两个方面的综合考虑，一般采用的频率为1MHz~15MHz。低频主要用于深部组织和器官的诊查，而高频则用于眼科等表浅部位的诊查。同时，为了避免产生生物效应，诊断用的超声波的功率一般在1mW/cm2~10m W/cm2。在诊断学方面如何提高成象分辨率，寻求可定量表征特异性病变的成象特征量为目前研究发展B超所需探索的目标。 超声诊断仪的基本工作原理 医用超声诊断仪是将声纳原理和雷达技术相结合生产的为临床应用的医疗仪器。其基本原理是高频超声脉冲波辐射到生物作内，由生物体内不同界面反射出不同波形并形成图像．从而判断生物体内是否有病变。超声诊断仪由起初的一维超声扫描显示，发展为二维甚置三维、四维的超声扫描和显示，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰，易辨，因此，它将被越来越广泛地 应用医用超声诊断仪． １、一维超声扫描及其显示 在超声诊断设备中，人们常把A型和M型这类，采用超声脉冲回波测距离的技术进行诊断的型式和方法，称为一维超声检查．这种型式发射超声波的方向不变，从不同声阻抗界面反射回来信号的幅值或灰度是不同的，经放大后，在屏幕上以水平或垂直方式 显示出来，此类图像称为一维超声图像。 （１）Ａ型超声扫描 探头（换能器）根据探查部位，以固定方式向人体发射数兆赫兹的超声波，通过人体反射回波并加以放大，并将回波的幅值和形态在屏幕上显示出来。显示器的纵坐标显示反射回波的幅度波形；横坐标上有时间和距离的标尺。这样可根据回波出现的位置，回波幅度的高低、形状、波数和来自受检体病变和解剖位置的有关信息进行判断诊断。Ａ型超声探头在固定位置就可获得波谱 图．（２）Ｍ型超声扫描仪 探头（换能器）以固定位置和方向对人体发射接收超声波束。该波束途经不同深度的回波信号对显示器垂直扫描线进行辉度调制，并按时间顺序展开，形成一幅一维空间各点运动按时间展开的轨迹图。这就是Ｍ型超声．人也可以理解为：Ｍ型超声是同一方向沿途不同深度点随时间变化的一维轨迹图．Ｍ型扫描系统特别适用于对运动器官的检查。例如对心脏的检查，在所显示的图形轨迹上，可进行多种心功能参数测量，所以Ｍ型超声．又称为超声心动图。 ２、二维超声扫描及显示 由于一维扫描只能依据图形中超声波回波幅值的大小和回波的疏密对人体脏器进行诊断，这样一维超声（即Ａ型超声）在超声医学诊断上受到了很大限制．二维超声扫描显像其原理是采用超声脉冲回波，亮度调节的二维灰阶显示，它形象地反映出人体某一断面的信息。二维扫描系统使探头内的换能器以固定方式向人体发射数兆赫兹的超声波，并以一定的速度在一个二维空间运动，即进行二维空间扫描，再把人体反射回波信号加以放大处理后送到显示器的阴极或控制栅极上，使显示器的光点亮度随着回波信

多普勒雷达原理

汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理 1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身 旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。 由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。 为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会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，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就显得低沉。 用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。 多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。 多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。 20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。 多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运

多普勒效应 论文

多普勒效应及其应用 姓名：李睿学号：0840308118 班级：测控一班 一、什么是多普勒效应 在日常生活中，我们有过这样的经验，在铁路旁听行驶中火车的汽笛声，当火车鸣笛而来时，人们会听到汽笛声的音调变高．相反，当火车鸣笛而去时，人们则听到汽笛声的音调变低．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．这种现象是奥地利物理学家多普勒（1803～1853）于1842年首先发现的，因此以他的名字命名． 二、多普勒效应的演示实验 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．为了说明这个问题，我们可以用水波代替声波（都是机械波），做如下演示实验．在盛有清水的大水槽中，以一端粘有直径约为8ｍｍ的石蜡球的细弹簧作为弹簧单振子，使单振子与水面接触，若使单振子沿竖直方向周期性地上下击打水面，这时，水面上就形成向四周传播的周期性同心圆波．若将振动着的单振子在水面上向右平移、便可看到从振源中心到右槽壁间的波纹变密、波长缩短，右壁接收圆波的频率变大，而振源中心到左槽壁的波纹变疏，波长增大，左槽壁接收圆波的频率变小，该实验仪器结构简单，易于取材，制作简便，便于操作，直观性强，可信度高，具有较好的实验效果．实验结果表明，单振子（振源）本身的频率并没有改变，而是水槽壁（接收者）接收的水波的频率发生了变化，这就与上述火车鸣笛的情况相类似了．通过该实验的演示，我们就不难理解波的多普勒效应了． 三、声波多普勒效应的理论分析 结合教材的阐述，我们还知道，当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到波的频率增大；如果二者远离，观察者接收到波的频率减小．对于这种变化关系，下面笔者由浅入深地分三种情况针对声波做如下讨论．首先，设声源速度为ｖＳ，接收者速度为ｖB，ｖ表示声波在介质中的传播速度，当声源向接收者运动时，ｖＳ取正值，而背离接收者运动时，ｖＳ取负值；当观察者向声源运动时，ｖB取正值，而背离声源运动时，ｖB取负值，波速ｖ总取正值．1．声源不动，观察者以速度ｖB相对于介质运动，即ｖS ＝0、ｖB≠0时如观察者向着声源运动，则ｖB＞0．因观察者以速度ｖB迎向声源运动，相当于波以速度ｖ＋ｖB通过接收者．单位时间内接收到的波数就是接收到的频率，即ν′＝（ｖ＋ｖB）／λ＝（ｖ＋ｖB）／（ｖＴ）＝［（ｖ＋ｖB）／ｖ］ν＝［1＋（ｖB／ｖ）］ν．①该式表明：当观察者向声源运动时，接收到的频率ν′为声源频率的［1＋（ｖB／ｖ）］倍；当观察者背离声源运动时，ｖB＜0，则ν′＜ν，即观察者接收到的频率ν′小于声源的振动频率ν．读者可自行分析当ｖB＝－ｖ时，会发生什么情况? 2．观察者不动，声源以速度ｖＳ相对于介质运动，即ｖＢ＝0，ｖＳ≠0时。如声源向着观察者运动，这时ｖＳ＞0．假定ｖＳ＜ｖ，因为声速仅决定于介质的性质，与声源的运动与否无关．所以在一个周期T内声源在S点发出的振动向前传播的距离等于波长λ．如声源不动，则波形。但若声源运动，则在一个周期的时间内声源在波的传播方向上通过一段路程ｖ ＳT而达到S′点，结果整个波形。中点S′、B′间的虚线所示．由于声源做匀速运动，所以，波形无畸弯．只是波长变小，其值为λ′＝＝λ－ｖＳＴ＝ｖＴ－ｖＳＴ＝（ｖ－ｖＳ）（1／ν）．所以观察者在单位时间内接收到的波数为ν′＝ｖ／λ′＝[ｖ／（ｖ－ｖＳ）]ν．②该式表明：当声源向着观察者运动时，观察者接收的频率是声源频率的ｖ／（ｖ－ｖＳ）倍．如声源背离观察者运动，则ｖＳ＜0，所以有ν′＜ν，即观察者接收到的频率比声源频率降低了．现在我们就不难明白前述火车相对观察者运动时音

多普勒频移

多普勒频移 当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。 多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。 英文名称:Doppler Shift ，多普勒效应是为纪念克里斯琴·多普勒·约翰(Doppler, Christian Johann)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。 定义 主要内容为:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。 概述 多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度 当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩，频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长，频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。 这种现象也存在于其他类型的波中，例如光波和电磁波。科学家们观察发现，从外太空而来的光波，其频率在不断变低，既向频率较低的红色波段靠拢，这是光波遵从多普勒效应从而引起多普勒频移的例证。对于电磁波，高度运动的物体上(例如高铁)进行无线通信，会出现信号质量下降等现象，就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。 多普勒频移导致无线通信中发射和接收的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法正确接收，甚至无法接收到。 发生原因 把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你每走一步时，面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步，而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。 所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(doppler shift)即

声波多普勒效应

声波多普勒效应 学习目标： (1)知道声波的干涉和衍射现象。 (2)知道超声波及其应用。 ①知道什么是超声波及次声波。 ②了解超声波的应用。 (3)知道多普勒效应的产生原因。 ①知道当声源与人之间有相对运动时，人听到的声音的频率会发生变化，这种现象称为多普勒效应。 ②能定性地解释多普勒效应产生的原因，能定性地判断当声源靠近或远离人时，人听到的声音频率是变大或变小。 (4)了解多普勒效应的应用。 知道利用超声波或电磁波的多普勒效应可以测定物体运动的速度。 重点、难点： 1、声波也有干涉和衍射的现象。 2、超声波特性与应用。 3、多普勒效应的产生原因。 知识讲解： 一、声波 声波与其它机械波一样，可以发生反射、折射、干涉和衍射。由于声波的频率较低、波长较长，声波的衍射现象比水波更为明显。 二、超声波 人耳能够听到的声波振动频率范围大约在20Hz～20000Hz之间，高于20000Hz的声波，人耳就不能感受到，称为超声波。低于20Hz的声波人耳也不能感受到，称为次声波。 超声波特点： 1、波由于振动频率较高，波长较短，对于一般障碍物来说，衍射现象很不明显，基本上是沿直线传播的，具有良好的直线定向传播性。 2、波频率高，能量大而集中，具有很强的穿透性。 超声波应用： 超声定位：超声波的波长非常短，能够沿直线传播和反射，因而可以定向发射，根据这种特性，可以制成声呐、鱼群探测仪等仪器，确定潜艇、鱼群的位置或海底深度。 超声处理：高频的超声波具有强大的功率，一般说，超声功率与其频率的平方成正比，它在液体中传播时，会产生较大的液压冲击，根据这一个特性可以利用超声波来清洗、加工和消毒。 超声检测：超声波的穿透能力很强，超声波在界面处就会发生反射和透射。利用它的穿透能力和反射波，可以制成超声波探伤仪，用来对金属、水库堤坝等进行探伤。“超声波B型显示切面成像方法”检查人体的内部器官、组织等有无病变。超声波的多普勒效应可以测量体内血流速度，超声波还可用来进行按摩、治疗、消毒、灭菌等。 三、多普勒效应 定义：声源与观察者之间有相对运动时，听到的声音频率发生变化的现象，这一现象是多普勒在1842年首先发现的，所以称为多普勒效应。 解释： 只要声源与观察者之间有相对运动，就会发生多普勒效应。当观察者向着声源靠近时，听到的声音频率就变大，而观察者是远离声源时，听到的声音频率就变小。发生多普勒效应时，声源的频率并没有发生变化，而是观察者接受到的频率发生了变化。观察者接受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。 模拟实验：如下图，一队人沿街行走，观察者站在街边不动，每秒有九个人从他身边经过，这种情况下该观察者的“过人频率”是9人／秒。若观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是“过人频率”增加．反之，如果观察者顺着队伍行走，“过人频率”降低。总体上人的走动情况没有变化，变化的是观察者观察到的情况发生了变化。

多普勒频移

多普勒频移 英文名称：Doppler Effect ，多普勒效应是为纪念克里斯琴·多普勒·约翰（Doppler, Christian Johann）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。 物理现象 概述 多普勒效应示意图 多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度 发生原因 1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。

把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你每走一步时，面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步，而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。 所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(doppler shift)即 Δf=f'-f 当接收体与声源相互靠近时，接收频率f'大于发射频率f即：Δf>0 当接收体与声源相互远离时，接收频率f'小于发射频率即：Δf<0 可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v，声速为c，则接收体接收声波的多普勒频率为： f'= f·(c+-v1)/(c-+v2) 括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。 2应用实例 多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变低，即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移，或称红移。若银河系正移向蓝端，光线就成为蓝移。 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”。另外一方面，由于非静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时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。也加大了卫星移动通信的复杂性。 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

多普勒效应

多普勒效应及应用 生活中会有这样的经验:火车急速离去时，汽笛声调会低沉下去;而迎面驶来，声调则变高，这种现象物理上称之为多普勒效应，它是波动现象特有的规律. 它是由奥地利物理学家多普勒于1842年首先发现的。多普勒效应是波动过程的共同特征，现在，此效应在激光测速、卫星定位、医学诊断、气象探测等很多领域有着广泛的应用。 1 多普勒效应及其表达式 由于波源和接收器（或观察者）的相对运动，使观测到的频率与波源的实际频率出现差异。这种现象叫多普勒效应。 1.1.1 声波的多普勒效应的普遍公式 为了方便问题的讨论 , 我们假设观测者 R 相对于介质静止 , 波源S 相对于介质以速度 v 运动 , 运动方向跟连线 SR 相垂直 , 波相对于介质的传播速度为，如图所示 以静止的观测者 R 建立静止参照系 , 运动的波源 S 建立运动 参照系 . 设波源开始时位于 S , 经过一段微小的时间后运动到 S ′处，波源在 S 处发射位相为的波的时刻 , 相对于静止参照 系 R 是, 而相对于运动参照系 S 是 ; 波源在 S ′处发射

位相为 U 的波的时刻 , 相对于静止参照系 R 是 t , 而相对于运 动参照系 S 是 t ′ . 设波源所发射的波的频率为 f , 则有 U - = 2 P f ( t ′ - ). (1) 对于观测者 , 其接收到波源所发出的位相为的波的时刻为 =+ SR ／. (2) 其所接收到波源所发出的位相为 U 的波的时刻为 = t + S ′ R ／ . (3) 设观测者所观测到的波的频率为 f ′ , 则有 U -= 2 P f ( - ), . (4) 由 (2) 式和 (3) 式得 - = t - + ( S ′ R - SR ) ／. (5) 在上如图 2, 我们在 S ′ R 上取一点 B , 使得 RS = RB , 则S ′ R - SR = S ′ B , 由于我们讨论的时间间隔很短 , 故 S ′ B 也很短 , 可以认为 SB ⊥ S ′ R , 于是有

高动态环境下多普勒频移的估计

姓名：张玉宣学号：2014020175 班级：研1405 综述： 在高动态环境下，由于发送端与接收端之间存在较大的径向速度，使接收端接收信号存在较大的多普勒频移，高达几十kHz 甚至几百kHz。较大的多普勒频移一直制约着通信技术的发展。如何在高动态环境下实现高效、准确的多普勒频移估计，是现代移动通信研究的一个热点问题，也是本文研究的主要目标。多普勒频移估计的准确性直接影响接收机的性能，对多普勒频移的补偿有利于系统性能的提高。 本文首先介绍了无线信道的特性，着重分析信道的多普勒效应。其次，在高动态环境下，分析了多普勒频移对通信信号的影响，主要包括匹配滤波器输出信噪比和差分相位调制信号的解调。然后，研究了多普勒频移估计理论，针对高动态两种环境展开讨论。最后，重点研究了基于卡尔曼滤波估计算法(EKF)的多普勒频移估计。

第一章无线信道的特性 1.1 无线信道基本特征 为了更好的研究和阐述无线信道的特性，首先整体介绍下影响无线通信信道特性的基本情况：直射发射、多径传播、阴影衰落及多普勒频移等。 1) 直射发射，当卫星或飞行器与地面终端之间的无线信道上不存在任何障碍物，从发送端沿着直线路径（即视距传播路径）到达接收端。在无线通信中，当卫星或飞行器与地面终端之间存在着视距传播路径时，接收信号中就含有直射信号分量。 2) 多径传播，从发送端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如建筑物、地表等物体反射，就会构成了一个消耗信号能量的环境，导致信号幅度、时间和相位的变化。这些因素会使发送信号到达接收端时形成了在时间、空间上相互叠加的多个无线电波。不同多径成分具有不同的相位和幅度引起了信号能量波动，导致幅度衰落、波形失真等现象。多径传播会使信号到达接收端时间的延长，造成由于码间干扰而引起的信号模糊。 3) 阴影衰落，当信号电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡以及宇宙辐射、大气粒子的影响会使信号电波产生衰耗，从而造成接收信号电平的衰减。通信终端在通信过程中经过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的损耗，使得接收端信号的幅度在一定的范围内起伏变化，这就产生了阴影衰落，这是

实验五 微波多普勒效应和测速

*实验五 微波多普勒效应和测速 一、目的与意义 了解多普勒效应和多普勒雷达测速 二、实验原理与方法 1.多普勒效应 波源与接收机之间有相对运动时，接收器接收到的波源频率会发生变化的现象叫做多普勒效应。波源频率与接收到的波源频率之差称为多普勒频移或多普勒频率。 多普勒现象是奥地利人多普勒于1842年首先在声学上发现，1930年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。 本实验以三公分连续波作为波源，发射微波信号，接收由活动目标反射回来的回波信号。已知波源频率，测量出多普勒频率就可以计算出目标的运动速度。这种测速装置称为连续波多普勒雷达。 2．多普勒频率与相对径向运动速度 设雷达发射信号为 ()j t S t Ue ω= 式中U 是发射信号振幅，ω是发射信号的角频率。 若目标是固定不动的，那么该目标反射到雷达的回波信号为： ()() 0j t t r S t K U e ω-= 式中K 为比例常数，002R t C =，0R 是目标与雷达距离，C 是电磁波速度，它等于光 速，时延0t 是常数。 由指数()00t t t t ωωω-=-可知，回波信号频率不变。 当目标以速度v 相对雷达作径向运动时，那么在时间t 时刻目标距雷达的距离 ()0R t R vt = 式中目标向雷达运动取负号，背离雷达运动取正号。 这时由运动目标反射的回波具有时延r t ，r t 是电磁波往返雷达与目标所需的时间，反射回波 ()() r j t t r S t KUe ω-= 上式说明，在t 时刻接收到的波形()r S t 上的某点，是在r t t -时刻发射的，由于通

常雷达和目标的相对速度v 远小于电磁波速度C ，所以时延r t 可以近似写为： ()()022r R t t R vt C C = = 时延r t 是时间t 的函数。代入上式： ()( )02j t R v t C r S t K U e ωω? ? -??? ? = 由指数项 () 00222221O R R t R vt t vt t C C C C C ωωωωωωωω??- =- ± =±- ?? ? 可知，接收到的回波信号频率变为21v C ω? ? ± ?? ? 接收信号频率与发射信号频率之差 c f c f d d νπ ω ων π ω22)21(2± =-±= = d f 就是多普勒频率。波源发射信号频率f 一定时，d f 与目标径向速度v 成正比。当目 标向雷达运动时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率。而当目标背离雷达运动时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。 由已知的发射信号频率f ，测量出多普勒频率d f ，就可以由上式计算出目标的运动速度v 。 3．简单连续波多普勒雷达实验装置 (1).方框图 f f 图　一 发射机产生频率为f 的等幅高频振荡，其中大部分能量从发生天线射向目标，一部分能量耦合到接收机输入端作为基准信号与目标发射的回波信号在混频器中混合，滤除高频成份后，检出多普勒频率输入指示器指示。

高频多普勒频移和到达角实时探测与分析

文章编号1005-0388(Z001)04-0487-06 高频多普勒频移和到达角实时探测与分析 袁志刚宁百齐袁洪 (中国科学院武汉物理与数学研究所湖北武汉430071) 摘要测量电离层反射回波的高频多普勒频移和到达角等参数来观测和研究电离层的变化及运动是一种经济有效的手段新近研制的一套高频多普勒与到达角探测分析系统由微型计算机数据采集器具有高稳定度频率源的~F程控接收机以及天线阵等构成这套系统的特点为接收频率采样参数及工作方式等均可由计算机控制并能实时地进行数据分析获得电离层反射回波高频多普勒频移和到达角对空间环境进行实时监测同时该系统兼有存储原始数据的功能可根据需要进行脱机分析满足对电离层开展观测研究的不同要求 关键词电离层高频多普勒频移到达角 中图分类号P41Z.Z94文献标识码A Real-time sounding and analyzing of HF Doppler shif t and angle of arrival YUAN Zhi-gang NING Bai-gi YUAN Hong (Wuhan Institute of Physics and mathematics The chinese academy of sciences Wuhan Hubei430071 china) Abstract It is an economical and effecti V e met h od to o1se rV e and st u d y ionos ph e r ic mo V ements1y u sin g~F D o pp le r s h ift and an g le-of-a rr i V al tec h ni gu es.In t h is p a p e r a ne W set of so u ndin g s y stem of~F D o pp le r s h ift and t h e an g le of a rr i V al is int r o- d u ced.Th e s y stem is com p osed o f mic r ocom pu te r data ac gu isition u nit~F pr o- gr am-cont r olled r ecei V e r W it h h i gh f r e gu enc y sta1ilit y and antenna a rr a y.Th e main c h a r acte r s of t h e s y stem a r e t h at r ecei V e d f r e gu encies sam p lin g p a r amete r s and W o rk in g modes etc.can all1e cont r olled1y t h e mic r o-com pu te r and t h e D o pp le r s h ift and t h e an g le of a rr i V al of t h e ionos ph e r ic ec h o W a V e can1e meas ur ed and dis-p la y ed in r eal time fo r monito r in g t h e ionos ph e r ic en V i r onment.S im u ltaneo u sl y all o r i g inal data sto r ed in t h e com pu te r can also1e anal yz ed off line to meet diffe r ent demands of in V esti g atin g ionos ph e r e. K ey W ords ionos ph e r e~F D o pp le r s h ift an g le of a rr i V al 1引言 电离层反射回波的高频多普勒观测技术开始于五十年代末并于六十年代初期逐步完善一九五七年Ig a W a在日本得到JJY回波信号的多普勒频移随时间变化的曲线[1]W att和D a V ies在一九六零年利用声图仪分析得到三维高频多普勒频移图[Z3]随着电离层研究的需要和技术的发展高频多普勒观测技术记录和分析方法得到进一步完善例如高频多普勒实时观测显示和采集系统[4]DO87 第16卷第4期Z001年1Z月 电波科学学报 HIN ESE JO URNA L O F RADI O S I E N E ol.16 o.4 D ecem1e r Z001 收稿日期Z001-04-10.基金项目国家自然科学基金资助项目(4978400Z)和国家重点基础研究项目(Z000078407)

多普勒效应原理及其应用

大学生物理论文及科技制作竞赛 多普勒效应原理及其应用 虞金花（08009203） （东南大学自动化学院，南京，211189） 摘要：多普勒效应是波源和观察者有相对运动时观察者接收到的波的频率与波源发出不同频率的现象。 本文首先介绍声波和光波中多普勒效应的原理，然后结合原理阐述多普勒效应在我们现在生活中的广泛应用。 关键词：多普勒效应；原理；应用 Doppler Effect’s Principle and Application Yu Jin Hua (Department of Automation Southeast University, Nanjing, 211189) Abstract: Doppler Effect is a phenomenon that when the waves and observers have relative motion, the frequency the observers receive is different from the frequency that it originally was. First，this paper introduces the principle of Doppler Effect, then explain its wide use in our daily life with the combination of its principle. Key words:Doppler Effect;principle;appplication 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。1多普勒效应的原理 波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。 假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+v）/λ，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（c-v）/λ。 1.1声波中的原理 设声源的频率为v，声波在媒质中的速度为V，波长λ=V/v。声波在媒质中传播的速度与波源是否运动无关，故总是以决定于媒质特性的速度V来传

多普勒频移

所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(doppler shift)即 Δf=f'-f 当接收体与声源相互靠近时，接收频率f'大于发射频率f即：Δf>0 当接收体与声源相互远离时，接收频率f'小于发射频率即：Δf<0 可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v，声速为c，则接收体接收声波的多普勒频率为： f'= f·(c+-v1)/(c-+v2) 括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。 多普勒频移最基本的计算公式是： 例如在一个运动速度为100 km/h的列车上，使用GSM 900 MHz的手机进行通话，假设发射频率为900 MHz，则最大的多普勒频移为 fm=100000/3600/300*900*1=83 Hz，此时列车移动的方向与无线电波发射的方向一致。如果列车运动的方向与发射方向成90°角，则无多普勒频移，夹角在两者之间时，为0~83 Hz的范围值。如列车移动方向与无线电波发射的方向相反或呈90°~180°角，则频移为负值，范围为-83 Hz~0。无线通话中频率误差的标准一般为0.05 ppm，即百万分之0.05，则900 MHz允许的频率误差为900*0.05=45 Hz。 多普勒频移 当移动台以恒定的速率v在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号，如下图所示。

多普勒频移测量

Wideband Doppler frequency shift measurement and direction ambiguity resolution using optical frequency shift and optical heterodyning Bing Lu,1Wei Pan,1Xihua Zou,1,2,*Xianglei Yan,1Lianshan Yan,1and Bin Luo1 1School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu611756,China 2Institute of Optoelectronics,University of Duisburg-Essen,Duisburg47057,Germany *Corresponding author:zouxihua@https://www.sodocs.net/doc/3710910723.html, Received February24,2015;revised April7,2015;accepted April17,2015; posted April20,2015(Doc.ID235203);published May11,2015 A photonic approach for both wideband Doppler frequency shift(DFS)measurement and direction ambiguity res- olution is proposed and experimentally demonstrated.In the proposed approach,a light wave from a laser diode is split into two paths.In one path,the DFS information is converted into an optical sideband close to the optical carrier by using two cascaded electro-optic modulators,while in the other path,the optical carrier is up-shifted by a specific value(e.g.,from several MHz to hundreds of MHz)using an optical-frequency shift module.Then the optical signals from the two paths are combined and detected by a low-speed photodetector(PD),generating a low-frequency electronic signal.Through a subtraction between the specific optical frequency shift and the mea- sured frequency of the low-frequency signal,the value of DFS is estimated from the derived absolute value,and the direction ambiguity is resolved from the derived sign(i.e.,+or?).In the proof-of-concept experiments,DFSs from ?90to90kHz are successfully estimated for microwave signals at10,15,and20GHz,where the estimation errors are lower than 60Hz.The estimation errors can be further reduced via the use of a more stable optical frequency shift module.?2015Optical Society of America OCIS codes:(060.5625)Radio frequency photonics;(060.2360)Fiber optics links and subsystems;(070.6020) Continuous optical signal processing;(350.4010)Microwaves. https://www.sodocs.net/doc/3710910723.html,/10.1364/OL.40.002321 Doppler frequency shift(DFS)measurement has at-tracted much attention due to its important applications in many fields,such as in wireless communications, scientific measurement,medical imaging,electronic war-fare,and radar systems[1–3].Recently,most approaches for DFS estimation are implemented using conventional electronic technology,which exhibit excellent perfor-mances of high stability and fine resolution.However, it is difficult for the electrical approaches to provide a wide operation frequency range covering from MHz to hundreds of GHz,due to the electrical bottleneck[4]. Photonic techniques are characterized by large instan-taneous bandwidth,low loss,compact size,and immun-ity to electromagnetic interference(EMI),which have been widely used for generation,transmission,control, and processing of wideband microwave/millimeter-wave signals[5–7].In the field of microwave measurement,a number of photonic approaches for frequency estimation [8–16],spectrum analysis[17–19],angle-of-arrival mea-surement[20–22],and DFS measurement have been proposed.For the DFS measurement in Ref.[23],a direc-tional ambiguity might exist in a single setup,although the value of the DFS is obtained. In this Letter,a novel photonic approach to the mea-surement of wideband DFS of interest is proposed and demonstrated.In the proposed approach,an optical frequency shift module and an optical heterodyning configuration are employed,where the microwave/ millimeter-wave DFS of interest is converted into a low-frequency electrical signal by using just a low-speed photodetector(PD).The value and the direction of DFS can be simultaneously obtained through spectrum analysis of this low-frequency signal.The novelty of the approach lies in that both the value and the direction of the DFS that can be obtained over a wide frequency range in a single photonic setup. The proposed approach is schematically shown in Fig.1(a).A light wave from a laser diode(LD)is divided into two paths.In the upper path,two electro-optic mod-ulators(i.e.,EOM-I and EOM-II)are cascaded,of which the first one is employed to optically carry a replica of the transmitted signal under the carrier-supressed single-sideband(CS-SSB)modulation,and the second one is used to receive the echo signal with an unknown DFS. In the lower path,the optical carrier is up-shifted by a specific value(from MHz to hundreds of MHz)in an op-tical frequency shift module.The optical signals from the two paths are sent to an optical coupler(OC),and then detected by using a low-speed PD,leading to the gener-ation a low-frequency electrical signal.The value as well as the direction of DFS can be obtained through spectrum analysis of this low-frequency signal,just by comparing the measured frequency of the low-frequency signal with the specified optical frequency shift. Mathematically,the optical field at the output of the EOM-I under the CS-SSB modulation,can be ex-pressed by E1 t 2 p P0 p J1 β1 exp j 2π f c f m t ;(1) where P0,f c are the power and the frequency of the light wave from LD,β1is the modulation index in EOM-I,J1 · represents the first-order Bessel function of the first kind, and f m is the frequency of the transmitted signal. Then the generated single sideband in Eq.(1)serving as an optical carrier is injected into EOM-II.When an echo signal reflected from a moving object is received, a relative frequency shift(i.e.,DFS)occurs between May15,2015/Vol.40,No.10/OPTICS LETTERS2321 0146-9592/15/102321-04$15.00/0?2015Optical Society of America