什么是多普勒效应(日常生活中多普勒效应的例子)

 2022-03-31 11:22:52    76  

通过感知多普勒频率,雷达系统不仅能测量目标的距离变化率(速度),而且还能从稳定杂波中将运动目标回波分离出来。因此,深入理解多普勒效应是十分必要的。

多普勒效应是运动物体辐射、反射或接收的波发生频率偏移的现象。

如图所示,从一个点源辐射的波,在其运动方向被压缩,而在其运动的相反方向则被拉伸。在这两种情况下,物体运动速度越快,这种效应就越明显。只有与运动方向垂直时,波才不会受到影响。

频率与波长成反比,所以波被压缩的越严重,它的频率就越高,反之亦然。因此,波频率的偏移与物体运动速度成正比。

什么是多普勒效应(日常生活中多普勒效应的例子)


对于雷达而言,多普勒效应是由雷达和目标之间的相对运动引起的。如果雷达和反射目标之间的距离在逐渐减小,那么波是被压缩的,其波长变短,频率增加。如果距离在增大,这个效应就是相反的。

对于地基雷达,任何相对运动从本质上来说都是由于目标运动引起的。来自于地面的回波多普勒频移很小甚至没有多普勒频移。地面上的目标,比如被风吹动的农作物或者车辆,它们是运动的,但是这里忽略它们。

什么是多普勒效应(日常生活中多普勒效应的例子)


因此,地杂波和诸如飞机一类的运动目标回波的区别是比较简单的。对于机载或运动雷达,相对运动或许由雷达的运动造成,或许由目标的运动造成,也有可能是由雷达和目标都在运动而造成的。甚至在空中悬停的直升机中,雷达也是在运动的。

因此,无论是目标回波还是地面回波都有多普勒频移。这使得从地杂波中分离目标回波的任务变得复杂,尤其是雷达和目标都在运动,导致它们和杂波有相同的多普勒频移。这是因为脉冲多普勒雷达只能在多普勒频移大小不同的基础上才能区分目标和杂波。

多普勒频移的产生

假设雷达和目标都在运动,那么发射的电磁波会在传播途中的三个点被压缩(或者拉伸):发射、反射和接收。

什么是多普勒效应(日常生活中多普勒效应的例子)


上图为简化的说明示意图,当发射第一个波前(红)的时候,雷达位于点A处,等到发射第二个波前(蓝)的时候,它前进到点B的位置。波长减小的距离等于雷达的速度乘以发射两个波前的时间间隔(脉冲周期T)。

当第一个波前(红)被反射,目标位于点D,第二个波前(蓝)位于点C。等到第二个波前(蓝)被反射的时候,目标运动到了点E的位置,波前从点C到达目标的距离减少了这样一个量:目标速度乘以周期T。

同时,第一个波前(红)的反射波也走过了相同的距离(D到F)。但是由于目标向雷达运动,减小了这个两个刚刚离开目标的反射波前之间的间隔,减小的距离为目标速度乘以周期T。

当雷达接收第一个波前(红)的时候位于点G,第二个波前(蓝)是被压缩过的,当它被接收的时候雷达已经运动到了H点。因此,在接收过程中,波长进一步被压缩了距离(与发射阶段被压缩的量相同)。

波长被压缩了两个速度之和乘以发射波周期T的两倍。

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