雷达原理之 多普勒效应原理及应用(一)

多普勒效应: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。

因为在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移);在运动的波源后面时,会产生相反的效应。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。根据波红移或蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。因此雷达领域测速便是根据多普勒效应而实现测速的,以下进行公式推导:

在雷达领域通俗来讲:当雷达探测的目标运动,由于物体辐射波长随波源与观测者的相对运动而变化,因此,雷达本身的回波信号频率主波发射信号的频率,这两个频率会存在频率差,这个频率差被成为多普勒频率,fd = fr - ft (fd:多普勒频率,fr : 接收机接收到频率, ft:发射频率)

其中,若发射与接收信号在目标不动的情况下,fd = 0,因此,只有目标移动的过程中,才会发生多普勒效应。

一般的发射信号为: St(t) = Acos(2 π \pi π * f0 * t + φ \varphi φ)
接收信号: Sr(t) = Acos(2 π \pi π * f0 * t + φ \varphi φ - 2 π \pi π * f0 * tr )
其中,角频率为相位的导数(相对于时间), 瞬时频率:f(t) = d ϕ \phi ϕ(t) / (2 π \pi π * d(t))

在0<= t <= τ \tau τ:
tr = 2(R0 - Vrt)/c
回波信号:Sr(t) = kSt(t - tr) = kAcos(2 π \pi π * f0 * (t - 2(R0 - Vrt)/c) + φ \varphi φ)
瞬时频率可由上式相位求导:fr = f0 + 2f0Vr/c = ft + 2Vr/ λ \lambda λ
所以:fd = fr - ft =2Vr/ λ \lambda λ (1-1)
从(1-1)式子推导得:Vr = λ \lambda λ fd/2 = λ \lambda λ (fr - ft)/2
因此,若已知波长、发射频率、接收频率,即可求出目标移动速度Vr
其中:多普勒频率为正,目标向着雷达飞行;多普勒频率为负,目标逆着雷达飞行。

多普勒效应原理应用:
1.雷达领域测速
2.多普勒效应在医学应用:
超声脉冲多普勒检查仪,测量血流速度及方向;
心脏彩色多普勒:诊断心脏病
3.宇宙研究中的多普勒效应
4.移动通信中的多普勒效应
5.农业中的多普勒效应:植物声频控制技术
6.微波运动传感器
7.可移动式多普勒天气雷达
8.半自动化驼峰控制系统

雷达原理之 多普勒效应原理及应用(一)_第1张图片

雷达原理之 多普勒效应原理及应用(一)_第2张图片

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