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多普勒原理

发布时间:2019-07-09 20:12 来源:未知 编辑:admin

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  多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位,测速,测距等工作的雷达。所谓多普勒效应就是,当声音,光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时,观测者所收到的振动频率振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的,所以称之为多普勒效应。

  由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移,它与相对速度V成正比,与振动的频率成正比。

  脉冲多普勒雷达的工作原理可表述如下: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。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线,滤除干扰杂波的谱线,可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强,能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

  脉冲多普勒雷达于20世纪60年代研制成功并投入使用。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,脉冲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。装有脉冲多普勒雷达的预警飞机,已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备。此外,这种雷达还用于气象观测,对气象回波进行多普勒速度分辨,可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况。

  机载火控系统用的主要是脉冲多普勒雷达。如美国战机装备的 A P G-68雷达,代表了机载脉冲多普勒火控雷达的先进水平。它有18种工作方式,可对空中、地面和海上目标边搜索边跟踪,抗干扰性能好,当飞机在低空飞行时,还可引导飞机跟踪地形起伏,以避免与地面相撞。这种雷达体积小,重量轻,可靠性高。

  机载脉冲多普勒雷达主要由天线、发射机、接收机、伺服系统、数字信号处理机、雷达数据处理机和数据总线等组成。机载脉冲多普勒雷达通常采用相干体制,有着极高的载频稳定度和频谱纯度以及极低的天线旁瓣,并采取先进的数字信号处理技术。脉冲多普勒雷达通常采用较高以及多种的重复频率和多种发射信号形式,以在数据处理机中利用代数方法,并可应用滤波理论在数据处理机中对目标坐标数据作进一步滤波或预测。

  脉冲多普勒雷达具有下列特点:①采用可编程序信号处理机,以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性,提高设备的复用性,从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态,使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力;②采用可编程序栅控行波管,使雷达能工作在不同脉冲重复频率,具有自适应波形的能力,能根据不同的战术状态选用低、中或高三种脉冲重复频率的波形,并可获得各种工作状态的最佳性能;③采用多普勒波束锐化技术获得高分辨率,在空对地应用中可提供高分辨率的地图测绘和高分辨率的局部放大测绘,在空对空敌情判断状态可分辨出密集编队的群目标。

  根据多普勒效应制成的超声诊断仪称为多普勒超声诊断仪(D型超声诊断仪)。它在医学临床诊断学中用于心脏、血管、血流和胎儿心率等诊断。

  超声多普勒仪种类繁多,根据显示方式的不同,可把它大致分为两类:频谱多普勒仪和超声多普勒显像仪。

  频谱多普勒根据产生信号的方式不同有分为连续性频谱多普勒和脉冲型多普勒。

  在过去的几十年中,超声频谱多普勒探测血流的研究工作已取得很大的成就,彩色多普勒的出现,使之更趋完美。频谱多普勒对血流的探测不是直观的,通过频谱的变化进而表达血流的改变,对血流的定量测定来说,频谱多普勒是必备的工具;彩色多普勒血流显像对血流的显示是直观的,它已成为定性诊断的最可*的方法。

  连续超声多普勒诊断仪通过发射与接收连续多普勒信号,来获得运动目标的信息。这类仪器结构简单,价格低廉,可用来观测心壁、瓣膜、胎体的运动状态这类仪器的测量也存在很的局限性。例如不能判断物体的运动方向,不能探测血流状态。由于没有深度分辨力,它也不能探测运动物体的深度,因此目前除用以胎儿的检测外,已很少在临床上使用。

  利用连续超声多普勒血流计可以检测血流速度的大小与方向,尤其是在测量高速血流时连续式超声多普勒血流计有其独特的优势。此类仪器仍不能分辨探头和运动目标间的距离,测量结果受声束和运动方向夹角的影响较大,无法了解异常血流的产生部位。

  脉冲超声波多普勒血流计发射的是超声脉冲同时有延迟电路来控制接收器,使得这种仪器具有距离选通能力。如果采用不同的延迟时间,就可以得到沿声束方向上不同深度的血流速度,从而构成血流剖面图。目前脉冲多普勒血流计与B超显像仪进行组合,用前者检查血流状态,用、后者探测解剖结构,所以能在诊断瓣口与血管狭窄、瓣膜关闭不全及先天性间隔缺损所致的分流方面取得良好的效果。这类仪器也有它的缺点,它所测血流速度的大小即多普勒频移大小受脉冲重复频率的限制。当其频移值超过尼奎斯特频率时,速度高的血流尖峰部分不能正常显示,出现频率倒错的显象。此外,由于采样体积范围很小,需要在断面上反复移动,检测时间较长。

  彩色多普勒血流显像计是通过对散射回声多普勒信息作相位检测并经自相关处理,彩色灰阶编码,把平均血流速度分类以彩色显示,它与B型图像和M型超声心动图相结合,可提供心脏和大血管内血流的时间和空间信息。可同时显示心脏某一断面上全部血流束的分布及数目,腔室形态、大小;表现血流途径及方向;辨别层流、湍流或涡流;测量血流束的面积、轮廓长度和宽度;清楚暗示血管结构异常与血液动力学异常的关系。临床用于心脏瓣膜病,先天性心脏病、心肌病、心脏肿瘤的无创伤诊断,彩色多普勒血流显像直观、形象、快速检测,诊断灵敏和准确率很高。当然,彩色多普勒血流显像也有其局限性,它更多地作为定性诊断的方法,而对血流动力学的定量分析还须借助频谱多普勒1.脉冲式多普勒超声仪的工作原理

  脉冲式多普勒超声仪发射的是脉冲波,每秒发射超声脉冲的个数称脉冲重复频率(PRF),一般为5~10kHz。目前常用的距离选通式脉冲多普勒超声仪由换能器、高频脉冲发生器、主控振荡器、分频器、取样脉冲发生器、接收放大器、鉴相器、低通滤波器和f-v变换器等部件组成。换能器(探头)采用发、收分开型,发射压电晶体受持续时间极短的高频脉冲激励,发射超声脉冲。接收压电晶体收到由红细胞后散射的高频回波,经放大后输入鉴相器进行解调,低通滤波器滤去高载波,让不同深度的多普勒回波信号通过。调节取样脉冲与高频发射脉冲之间的延迟时间,就可以对来自某一深度的回波信号进行选通取样,从而检测到那一深度血管中的血流。按照取样定理,取样脉冲的重复频率必须大于最大多普勒频移的2倍。取样脉冲与发射脉冲之间的延迟时间,可用简单的单稳态延迟电路产生。标明选通距离的度盘直接装在调节延迟时间的电位器的轴上,延迟时间每改变13μs,距离度盘上的距离标度正好改变1cm。经取样保持电路输出的信号中含有控制脉冲信号成分,经过低通滤波器滤除后,送f-v变换成电压输出。

  脉冲波多普勒是由同一个(或一组)晶片发射并接收超声波的。它用较少的时间发射,而用更多的时间接收。由于采用深度选通(或距离选通)技术,可进行定点血流测定,因而具有很高的距离分辨力,也可对喧点血流的性质做出准确的分析。由于脉冲波多普勒的最大显示频率受到脉冲重复频率的限制,在检测高速血流时容易出现混叠。这对像二尖瓣狭窄主动脉瓣狭窄等这类疾病的检查十分不利。

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