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1、汽笛聲變調(diào)的啟示--多普勒雷達(dá)原理1842年一天，奧地利數(shù)學(xué)家多普勒路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車由遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖（注：應(yīng)為“汽笛聲的音頻頻率變高”）；而火車由近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低（應(yīng)為“汽笛聲的音頻頻率降低了”）。他對這種現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運(yùn)動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的緣故，稱為頻移現(xiàn)象。因?yàn)檫@是多普勒首先提出來的，所以稱為多普勒效應(yīng)。由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時(shí)沒有用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。幾年后有人請一隊(duì)小
2、號手在平板車上演奏，再請訓(xùn)練有素的音樂家用耳朵來辨別音調(diào)的變化，驗(yàn)證了該效應(yīng)。為了理解這一現(xiàn)象，需要考察火車以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播過程中表現(xiàn)出的是聲波波長縮短，好像波被“壓縮”了。因此，在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(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，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛聲聽起來就顯得低沉。用科學(xué)語言來說，就是在一個(gè)物體發(fā)出一個(gè)信號時(shí)，當(dāng)這個(gè)物體和接收者之間有相對運(yùn)動時(shí)，雖然物體發(fā)出的信號頻率固定不變，但接收者所接收到的信號頻率相對于
3、物體發(fā)出的信號頻率出現(xiàn)了差異。多普勒效應(yīng)也可以用波在介質(zhì)中傳播的衰減理論解釋，波在介質(zhì)中傳播，會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，隨距離增加,高頻向低頻移動。多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波，包括電磁波。多普勒效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，直到1930年左右，才開始應(yīng)用于電磁波領(lǐng)域中。常見的一種應(yīng)用是醫(yī)生檢查就診人用的“彩超”，就是利用了聲波的多普勒效應(yīng)。簡單地說，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號，向人體心血管器官發(fā)射，當(dāng)超聲波束遇到運(yùn)動的臟器和血管時(shí)，便產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射信
4、號為換能器所接受，根據(jù)反射波與發(fā)射波的頻率差可以求出血流速度，根據(jù)反射波的頻率是增大還是減小判定血流方向。20世紀(jì)40年代中期，也就是多普勒發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象之后大約100年，人們才將多普勒效應(yīng)應(yīng)用于雷達(dá)上。多普勒雷達(dá)就是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行定位，測速，測距等的雷達(dá)。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對空掃描時(shí)，如遇到活動目標(biāo)，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差（稱為多普勒頻率），根據(jù)多普勒頻率的大小，可測出目標(biāo)對雷達(dá)的徑向相對運(yùn)動速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測出目標(biāo)的距離。20世紀(jì)70年代以來，隨著大規(guī)模集成電路
5、和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面，成為重要的軍事裝備以及科學(xué)研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用裝置。多普勒天氣雷達(dá)，是以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)大氣中云雨等目標(biāo)物相對于雷達(dá)發(fā)射信號波有運(yùn)動時(shí)，通過測定接收到的回波信號與發(fā)射信號之間的頻率差異就能夠解譯出所需的信息。它與過去常規(guī)天氣雷達(dá)僅僅接收云雨目標(biāo)物對雷達(dá)發(fā)射電磁波的反射回波進(jìn)了一大步。這種多普勒天氣雷達(dá)的工作波長一般為5～10厘米，除了能起到常規(guī)天氣雷達(dá)通過回波測定云雨目標(biāo)物空間位置、強(qiáng)弱分布、
6、垂直結(jié)構(gòu)等作用，它的重大改進(jìn)在于利用多普勒效應(yīng)可以測定降水粒子的運(yùn)動速度，從而推斷降水實(shí)體速度分布、風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征、垂直氣流速度等，這對研究降水的形成、分析中小尺度天氣系統(tǒng)、警戒強(qiáng)對流天氣等具有重要意義，這是以往天氣雷達(dá)做不到的。因此，被稱為智能型探測系統(tǒng)。多普勒頻移定義主要內(nèi)容為：物體輻射的波長因?yàn)椴ㄔ春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blueshift）。多普勒頻移，當(dāng)運(yùn)動在波源后面時(shí)，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移redshift）
7、。物理現(xiàn)象概述多普勒效應(yīng)示意圖多普勒頻移，當(dāng)運(yùn)動在波源后面時(shí)，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移redshift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度多普勒頻移及信號幅度的變化等如圖2所示。當(dāng)火車迎面駛來時(shí)，鳴笛聲的波長被壓縮（如圖2右側(cè)波形變化所示），頻率變高，因而聲音聽起來尖利刺耳。當(dāng)火車遠(yuǎn)離時(shí)，聲音波長就被拉長（如圖2左側(cè)波形變化所示），頻率變低，從而使得聲音聽起來減緩且低沉。圖2聲波的多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻移這種現(xiàn)象也存在于
8、其他類型的波中，例如光波和電磁波?？茖W(xué)家們觀察發(fā)現(xiàn)，從外太空而來的光波，其頻率在不斷變低，既向頻率較低的紅色波段靠攏，這是光波遵從多普勒效應(yīng)從而引起多普勒頻移的例證。對于電磁波，高度運(yùn)動的物體上（例如高鐵）進(jìn)行無線通信，會出現(xiàn)信號質(zhì)量下降等現(xiàn)象，就是電磁波存在多普勒頻移現(xiàn)象的實(shí)例。多普勒頻移導(dǎo)致無線通信中發(fā)射和接收的頻率不一致，從而使得加載在頻率上的信號無法正確接收，甚至無法接收到。發(fā)
