多普勒原理

多普勒原理the Doppler Principle ^[1] 

由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的頻率成正比。

脈衝多普勒雷達的工作原理可表述如下：當雷達發射一固定頻率的脈衝波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發射波的頻率出現頻率差，稱為多普勒頻率。根據多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度；根據發射脈衝和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈衝多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。

脈衝多普勒雷達於20世紀60年代研製成功並投入使用。20世紀70年代以來，隨着大規模集成電路和數字處理技術的發展，脈衝多普勒雷達廣泛用於機載預警、導航、導彈制導、衞星跟蹤、戰場偵察、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。裝有脈衝多普勒雷達的預警飛機，已成為對付低空轟炸機和巡航導彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達還用於氣象觀測，對氣象回波進行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分佈情況。

機載火控系統用的主要是脈衝多普勒雷達。如美國戰機裝備的 A P G－68雷達，代表了機載脈衝多普勒火控雷達的先進水平。它有18種工作方式，可對空中、地面和海上目標邊搜索邊跟蹤，抗干擾性能好，當飛機在低空飛行時，還可引導飛機跟蹤地形起伏，以避免與地面相撞。這種雷達體積小，重量輕，可靠性高。

機載脈衝多普勒雷達主要由天線、發射機、接收機、伺服系統、數字信號處理機、雷達數據處理機和數據總線等組成。機載脈衝多普勒雷達通常採用相干體制，有着極高的載頻穩定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣，並採取先進的數字信號處理技術。脈衝多普勒雷達通常採用較高以及多種的重複頻率和多種發射信號形式，以在數據處理機中利用代數方法，並可應用濾波理論在數據處理機中對目標座標數據作進一步濾波或預測。

脈衝多普勒雷達具有下列特點：①採用可編程序信號處理機，以增大雷達信號的處理容量、速度和靈活性，提高設備的複用性，從而使雷達能在跟蹤的同時進行搜索並能改變或增加雷達的工作狀態，使雷達具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標的能力；②採用可編程序柵控行波管，使雷達能工作在不同脈衝重複頻率，具有自適應波形的能力，能根據不同的戰術狀態選用低、中或高三種脈衝重複頻率的波形，並可獲得各種工作狀態的最佳性能；③採用多普勒波束鋭化技術獲得高分辨率，在空對地應用中可提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率的局部放大測繪，在空對空敵情判斷狀態可分辨出密集編隊的羣目標。

根據多普勒效應制成的診斷儀稱為多普勒診斷儀（D型診斷儀）。它在醫學臨牀診斷學中用於心臟、血管、血流和胎兒心率等診斷。

多普勒儀種類繁多，根據顯示方式的不同，可把它大致分為兩類：波譜多普勒儀和多普勒顯像儀。

波譜多普勒根據產生信號的方式不同有分為連續性波譜多普勒和脈衝型多普勒。

多普勒顯像儀包括多普勒血管顯像儀和彩色多普勒血流顯像儀。

在過去的幾十年中，波譜多普勒探測血流的研究工作已取得很大的成就，彩色多普勒的出現，使之更趨完美。波譜多普勒對血流的探測不是直觀的，通過波譜的變化進而表達血流的改變，對血流的定量測定來説，波譜多普勒是必備的工具；彩色多普勒血流顯像對血流的顯示是直觀的，它已成為定性診斷的最可*的方法。

臨牀應用範圍

1.連續多普勒診斷儀

連續多普勒診斷儀通過發射與接收連續多普勒信號，來獲得運動目標的信息。這類儀器結構簡單，價格低廉，可用來觀測心壁、瓣膜、胎體的運動狀態這類儀器的測量也存在很的侷限性。例如不能判斷物體的運動方向，不能探測血流狀態。由於沒有深度分辨力，它也不能探測運動物體的深度，因此目前除用以胎兒的檢測外，已很少在臨牀上使用。

2.連續多普勒血流計

利用連續多普勒血流計可以檢測血流速度的大小與方向，尤其是在測量高速血流時連續式多普勒血流計有其獨特的優勢。此類儀器仍不能分辨探頭和運動目標間的距離，測量結果受波束和運動方向夾角的影響較大，無法瞭解異常血流的產生部位。

3.脈衝多普勒血流計

脈衝多普勒血流計發射的是脈衝同時有延遲電路來控制接收器，使得這種儀器具有距離選通能力。如果採用不同的延遲時間，就可以得到沿波束方向上不同深度的血流速度，從而構成血流剖面圖。目前脈衝多普勒血流計與B超顯像儀進行組合，用前者檢查血流狀態，用、後者探測解剖結構，所以能在診斷瓣口與血管狹窄、瓣膜關閉不全及先天性間隔缺損所致的分流方面取得良好的效果。這類儀器也有它的缺點，它所測血流速度的大小即多普勒波移大小受脈衝重複頻率的限制。當其波移值超過尼奎斯特頻率對應的波長時，速度高的血流尖峯部分不能正常顯示，出現波長倒錯的顯象。此外，由於採樣體積範圍很小，需要在斷面上反覆移動，檢測時間較長。

4.彩色多普勒血流顯像儀

彩色多普勒血流顯像計是通過對散射回波多普勒信息作相位檢測並經自相關處理，彩色灰階編碼，把平均血流速度分類以彩色顯示，它與B型圖像和M型心動圖相結合，可提供心臟和大血管內血流的時間和空間信息。可同時顯示心臟某一斷面上全部血流束的分佈及數目，腔室形態、大小；表現血流途徑及方向；辨別層流、湍流或渦流；測量血流束的面積、輪廓長度和寬度；清楚暗示血管結構異常與血液動力學異常的關係。臨牀用於心臟瓣膜病，先天性心臟病、心肌病、心臟腫瘤的無創傷診斷，彩色多普勒血流顯像直觀、形象、快速檢測，診斷靈敏和準確率很高。當然，彩色多普勒血流顯像也有其侷限性，它更多地作為定性診斷的方法，而對血流動力學的定量分析還須藉助波譜多普勒1.脈衝式多普勒儀的工作原理

脈衝式多普勒儀發射的是脈衝波，每秒發射脈衝的個數稱脈衝重複頻率(PRF)，一般為5～10kHz。目前常用的距離選通式脈衝多普勒儀由換能器、短波脈衝發生器、主控器、分波器、取樣脈衝發生器、接收放大器、鑑相器、長波濾波器（長通濾波器）和f-v變換器等部件組成。換能器(探頭)採用發、收分開型，發射壓電晶體受持續時間極短的短波脈衝激勵，發射脈衝。接收壓電晶體收到由紅細胞後散射的短波回波，經放大後輸入鑑相器進行解調，長波通濾波器濾去短載波，讓不同深度的多普勒回波信號通過。調節取樣脈衝與短波發射脈衝之間的延遲時間，就可以對來自某一深度的回波信號進行選通取樣，從而檢測到那一深度血管中的血流。按照取樣定理，取樣脈衝的重複頻率必須大於最大多普勒波移中波長對應的頻率的2倍。取樣脈衝與發射脈衝之間的延遲時間，可用簡單的單穩態延遲電路產生。標明選通距離的度盤直接裝在調節延遲時間的電位器的軸上，延遲時間每改變13μs，距離度盤上的距離標度正好改變1cm。經取樣保持電路輸出的信號中含有控制脈衝信號成分，經過長波通濾波器濾除後，送f-v變換成電壓輸出。

2.脈衝波多普勒和連續波多普勒的特點與限度

脈衝波多普勒是由同一個(或一組)晶片發射並接收的。它用較少的時間發射，而用更多的時間接收。由於採用深度選通(或距離選通)技術，可進行定點血流測定，因而具有很高的距離分辨力，也可對喧點血流的性質做出準確的分析。由於脈衝波多普勒的最短顯示波長受到脈衝重複頻率的限制，在檢測高速血流時容易出現混疊。這對像二尖瓣狹窄、主動脈瓣狹窄等這類疾病的檢查十分不利。