多普勒测量

多普勒测量(英語:Doppler measurement)是通过观测无线电波多普勒频移来确定两点间的相对速度或距离差的测量方式,后者又称距离差测量[1][2]多普勒测量可应用于多普勒雷达激光多普勒测速仪等各种场合,亦可应用于卫星导航系统中测定卫星或测站的位置(即多普勒定位)和速度[3][4]

多普勒测速

多普勒效应

相对论框架下,多普勒效应可表达成如下形式:[2]:183

 

其中,各个量所代表的含义为

  •   是电磁波的接收频率
  •   是电磁波的发射频率
  •   是发射者   相对于接收者   的速度
  •   是该速度方向相对于   方向的夹角
  •   是光速

两者间距离   随时间   的变化率   与该相对速度之间的关系为:

 

因而,将多普勒效应的表达式进行级数展开:

 

多普勒频移

当接收者与发送者的相对速度远小于光速(即  )时,仅保留级数的最大项,得到

 

得到的发射频率   与接收频率   之差被称为多普勒频移(英語:Doppler shift):[1]:273

 

横向多普勒效应

在除去多普勒频移后,级数中的剩余项被称为横向多普勒效应(英語:transversal Doppler effect):[2]:184

 

横向多普勒效应发生在与发射者与接收者的连线  相垂直的方向上,高精度的测量需要考虑对该效应进行改正。

多普勒测距

多普勒计数

在发射者与接收者之间设定一相同的基准频率  ,当两者间存在多普勒效应时,接收方可以通过混频的方式求得拍频信号  。将该差频信号在时域   上进行积分[2]:184

 

得到的   被称为积分多普勒计数(英語:integrated Doppler count),   分别表示积分开始和结束的时间。

距离差测量

将多普勒频移的公式代入多普勒计数的公式中,可以将多普勒计数转换为积分起始时刻两者的距离差   ,即[1]:274

 

这一测量方式又被称为距离差测量。然而在实际应用中,计数器通常不能判别   的符号,距离差   的符号亦无法判别。因此,通常会人为地提高接收者所产生的信号频率至  ,以保证   恒成立,此时上式变为[1]:274

 

积分起始时刻两者的距离差   则写作

 

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参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 李征航; 魏二虎; 王正涛; 彭碧波. 空间大地测量学. 武汉大学出版社. : 271–274. ISBN 978-7-30-707574-0. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Seeber, Günter. Satellite Geodesy: Foundations, Methods, and Applications. De Gruyter. 2008-08-22: 181–186. ISBN 978-3-11-020008-9 (英语). 
  3. ^ Chapter VI SATELLITE GEODESY. www.ngs.noaa.gov. [2020-04-23]. (原始内容存档于2014-03-18). 
  4. ^ 王跃虎. 卫星多普勒测量的概况与发展. 武测资料. 1979, (03). [失效連結]